金飛
（三門（mén）核電有限公（gōng）司，浙江三門 317112）
摘 要：水潤滑（huá）石墨推力軸承是第三代核電站屏蔽（bì）主泵的重要部（bù）件，同時也是易損部件，目前還沒有針對該部件的運行和維護說明。文章基於屏蔽（bì）主泵推力（lì）軸承結構特點和運行（háng）工況，對各種運行條件下的影響因素進行了分析，提出了運行（háng）注意事項和維護項目。
關鍵詞：核電站；屏蔽（bì）主泵；水（shuǐ）潤滑；推力軸承；液膜
國內在建的由美國（guó）西屋公司設計的第三代核電站項目首次采用（yòng）大型立式屏（píng）蔽泵作（zuò）為壓水堆核電站主冷卻（què）劑泵，其（qí）也是全球工業迄今為止Z大的屏蔽泵，該泵尚未投入（rù）運行（下文簡稱“屏蔽主泵”）。屏蔽泵作（zuò）為一種無泄漏密封泵，多應用於（yú）化工及醫藥行業輸送有毒有（yǒu）害液體、艦船及試驗用小型核反應堆，但相（xiàng）較之核電站（zhàn）屏蔽主泵性能參數要小很多。
屏（píng）蔽主泵的推力軸承設置在泵體內部，與輸送介質直接接觸，並通過介質潤滑。與常規的油潤滑推力軸承相比，立式屏蔽泵（bèng）推力軸承（chéng）不需要配套的油（yóu）係統提（tí）供支持，並消除了潤滑油帶來（lái）的火災風險、減小了（le）整泵的空間需（xū）求。
屏蔽主泵無（wú）泄漏和低火災風險的特點提升了核電站的（de）安全係數（shù），然而相當（dāng）性能參數條件下，由於設備內部空間的製（zhì）約和潤滑（huá）劑黏度低等因素，給屏蔽主泵推（tuī）力軸承的設計（jì）和製造增加（jiā）了（le）難度（dù），同時也對（duì）運行和維護提出了更高的要求。本文立足屏蔽主泵推力軸承（chéng）的設（shè）計特點，探討該泵推力軸承運行的關注點以及維護的（de）要點。
1 屏蔽主泵推力軸（zhóu）承的結構和原理
屏蔽主泵共有三個軸承，兩個徑向軸承和一個推力軸承，都在電機（jī）一（yī）側，軸承采用水潤滑方式。徑向軸承為圓柱形滑（huá）動軸承，主要用（yòng）於平衡由水力、電磁等產生的徑向不平衡力；屏蔽主泵推力軸（zhóu）承較之徑向軸承結構要複雜得多，主要用於平衡由水力部件（jiàn）和轉子自重所產生（shēng）的軸向（xiàng）力。
屏蔽主泵推力軸承為雙向推力（lì）軸（zhóu）承，推力（lì）軸承的推力盤與下部飛輪組合成一體，推力軸（zhóu）承上下兩側的推力瓦組件結構（gòu）相同，均由（yóu）六個推力瓦、六（liù）個正向（xiàng）平衡板、六個反向平衡板、基礎環和銷釘（dìng）、彈簧、螺釘等部件組成。屏蔽主泵啟（qǐ）動時，隨著推力盤轉動速度的提升，推力盤與推力瓦之間快速形成水膜，兩者之間的摩擦由幹燥摩擦轉變為（wéi）液態摩擦（即通過液膜接觸）。正常（cháng）運行時，軸向（xiàng）載荷通過推（tuī）力盤依次傳遞到軸瓦、平（píng）衡板、基礎環。每個推力瓦的（de）正下方是正（zhèng）向平衡板，軸瓦與平衡板之間通過球麵相接（jiē）觸，六個正向平衡板和（hé）六個反向平衡板錯位布置（zhì）、首（shǒu）尾相搭接，相互傳遞（dì）力矩，使各軸瓦所承受的載荷趨於平衡。
推力軸承的上（shàng）、下（xià）推（tuī）力盤熱裝在下部飛輪（lún）兩側的泵軸上，推力盤母材為600合金材料，兩麵均有經熱等靜壓工藝處理的司太立硬（yìng）質合（hé）金層，以（yǐ）提高其耐磨性，進而減少推力瓦運行時對其造成的磨（mó）損。推力瓦（wǎ）表麵為石墨材料（liào），依靠側夾板固定在瓦托上，石墨本身分子結構決定了其具有一定的自（zì）潤滑性能（néng）和較小的摩擦（cā）係數（shù）。
2 屏（píng）蔽主泵推力軸承的運行分析
正常工況下，屏蔽主泵的運行可分為三個階段：啟動階段、全速運行與停運階段。當核電（diàn）站意外失去廠用電（diàn）源時，要求屏蔽主泵能夠（gòu）依靠“飛輪（lún）”的慣（guàn）性可靠地惰轉足夠長時間。當單台屏蔽主泵停運時，設計上允（yǔn）許該泵在係統介質作用下反向旋轉。下文對核電站係統和設備運行過程中影響推力（lì）軸承穩定可靠運行（háng）的幾個因素進行分析。
2.1 轉速（sù）
如由文（wén）獻推導所得，影響推力軸（zhóu）承形成穩定的動（dòng）壓液膜（推力盤與推力瓦之間由幹燥摩擦（cā）轉變為液態摩擦）的主要條件包括：推力盤與推力瓦的幾何結構、兩者之間形成楔形（xíng）的間隙、並從楔形間隙（xì）較大的（de）一側向較小的一側的（de）形成相對運動（dòng）速度V，潤滑劑（jì）的（de）黏度。當（dāng）屏（píng）蔽主泵製造完（wán）成後，除轉動速度V和潤滑劑黏度，其他條（tiáo）件固定不變，V和與液膜厚度（dù）成正比。正常啟動至穩定運行過程中，潤滑劑黏度因溫度（dù）升高而減小，但其對液膜影響的貢獻遠小於（yú）轉動速度。
2.1.1 低速（sù）運行。屏蔽主泵在正（zhèng）常啟停、惰（duò）轉和反（fǎn）轉過程中都會有一段時（shí）間處於低速運行，伴隨著液膜建立或消失過（guò）程，推力軸承推（tuī）力盤和推力（lì）瓦之間經曆“幹燥摩擦（cā）-邊界摩擦-液態摩擦（cā）”或相反的作用過程。
幹燥摩擦（cā）狀態的摩擦是遵守庫侖法則的，也就是說摩（mó）擦力F與垂直載荷P成正比，用公式表示（shì）為：
屏（píng）蔽（bì）主泵“倒（dǎo）掛”於蒸汽發生器下部的泵殼上，和常規“正立”布置的主泵恰好相反；屏蔽主泵的轉動部件全部位於工藝係統壓（yā）力邊界之（zhī）內，不承受係統壓力載荷。由圖2可知，屏蔽主泵在運行時承載力為轉動部件重（chóng）力（lì）G與運輸介質反作用力F之差。正常啟動時，隨著轉速的增加（jiā），作用（yòng）力F逐漸變（biàn）大，推力（lì）軸承承載力減小，有利於（yú）初期液膜的建立（lì），也減小了這一階段的摩擦力F。但長（zhǎng）期處於這（zhè）一階段，接觸麵的摩擦損耗將增加，產生的熱量也將增加，推力軸承的運行環境逐步發生（shēng）不同程度的惡化，甚至可能發生損壞。某核電站相似設計的推（tuī）力軸承在主泵惰轉（zhuǎn）時發生（shēng）了燒（shāo）瓦事（shì）故。
屏蔽主泵設有（yǒu）一個安全相關的轉速探測器以監測主泵轉速，其輸入信（xìn）號可以產生轉速低報（bào）警，也可產生（shēng）主泵轉速低停堆信號（hào）。
2.1.2 高速運行。當推力軸（zhóu）承達（dá）到一定轉速，推力盤和推力瓦之間形成足夠厚度的穩定液膜，完全不存在固體表麵直接接觸。一般說（shuō）來磨損（sǔn）低，磨耗近於0。這（zhè）種液膜的厚度取決（jué）於摩（mó）擦麵的幾何形狀、摩擦條件和流（liú）體的粘度（dù）等，即流體力學（xué），因為這種摩擦是符合牛頓黏性摩擦規律的。用數學（xué）公式表達為：
在啟、停階段，根據係統運行的要求，屏蔽主泵需（xū）要在係（xì）統（tǒng）運行參數達到相應值後才能逐步升至全速運行。為了避免主泵在其共振頻率（lǜ）附近長時間運行，主泵轉速設定值隻能在確定（dìng）的若幹離散數值中（zhōng）直接選取（qǔ），用於係統不同工況的運行需求，例如提供穩壓器噴淋等。
低（dī）速運行時，推力（lì）盤和推力瓦之間的潤（rùn）滑劑處於層流（liú）狀態；隨著轉速進一步增加，部分潤滑劑流動雷諾數超過2300～2800時，潤滑（huá）劑層流就不可能存在了，一旦有小擾（rǎo）動，擾動會增長而轉變成湍流。尤（yóu）其在推力瓦與推（tuī）力瓦之間的“溝（gōu）壑”內，湍流可能（néng）形成交變壓力場和周期振動等水力環境（jìng），在交變應力或共振作用下，剛度不（bú）足的部件可能在（zài）應力集中區域出現疲勞失效。某推力軸承試驗過程中曾出現過（guò）部件疲勞斷裂的情況。
屏蔽主泵設（shè）有若幹個振動測量裝置，用來連續監測泵（bèng）的振動（dòng）。振動數值可被實時遠程（chéng）讀取（qǔ），當振動超閾值時提供報警（jǐng）。
2.2 溫度
推力軸承的運行溫度影響因素有：推力盤和推力瓦之間的幹燥摩擦和液（yè）態摩擦產生熱量，電機工作產生熱量，係統介質傳導熱量，屏蔽主（zhǔ）泵外置熱交換器帶走熱量。正常工況下，外置熱交換器能夠帶走足夠的熱量，保證推力軸承在合適的溫度下工作。
外置熱交換（huàn）器為（wéi）普通管殼式熱（rè）交換器，熱量由電站（zhàn）設備冷卻水係統（tǒng）帶走，工作效率主要影響因素包（bāo）括：（1）冷（lěng）卻水（shuǐ）溫度和流量，設（shè）備冷卻（què）水係（xì）統正常運行即可滿足；（2）被冷（lěng）卻介質的（de）流動（dòng）速度，在屏（píng）蔽主泵轉（zhuǎn）子的電機一側（cè）設（shè）置有輔（fǔ）助（zhù）葉輪（lún），泵軸轉（zhuǎn）動時，提（tí）供屏蔽主泵腔體和（hé）外置熱交換器間介質流動動力，也即泵（bèng）轉速越高，冷卻效果越（yuè）好。外置熱交（jiāo）換器的可靠（kào）運行是推力軸（zhóu）承正（zhèng）常工作的必要前提（tí）。
當推力軸（zhóu）承溫（wēn）度意外升高，潤（rùn）滑劑（jì）的黏度會降低，液膜支撐力下降；如果溫度升至潤滑劑的汽化溫度，將無法形成液（yè）膜（汽化溫（wēn）度與壓力有關，屏蔽主泵的（de）軸承潤滑劑壓力與係統壓力相同（tóng））；沒有液膜（mó），摩擦係數更大，摩擦發熱更嚴重，摩擦麵溫度（dù）急劇上升，然後摩擦磨損更嚴重，這一惡性循環將導致推力瓦在很短的（de）時間內破壞，高溫可能造成材料黏結剝落，熱應（yīng）力衝擊可能造成變形、斷裂等。因此需要注意主泵（bèng）啟動時的係統壓力，減少軸承潤滑劑（jì）汽（qì）化的可能性；反之，即需要在主係統壓力降低到一定程度時，自動（dòng）觸發停泵，以免由於壓力降（jiàng）低產（chǎn）生汽化。如圖3所示，某核（hé）電站相似設計（jì）的推力軸承的（de）石墨瓦由於（yú）熱應力衝擊開裂（liè）。
屏蔽主泵裝有（yǒu）若幹台（tái）冗餘的安全相關溫（wēn）度探測器來監測（cè）主泵軸（zhóu）承冷卻水出口溫度。這些探測器輸入信號可產生停運屏蔽主泵的軸承冷卻水出口溫度高信號，同時溫度數據可實（shí）時遠（yuǎn）程顯示和生（shēng）成報（bào）警。
2.3 水質
推力軸承的穩定（dìng）運行和推力盤（pán）/推力瓦的材料表麵狀況有（yǒu）關。液膜的計算厚度相同情況下，表麵粗糙度越大（dà），液膜的實際有效厚度也就越小。當其（qí）已（yǐ）經超過當前轉速下的水膜計算（suàn）厚度，則很可能發生幹燥摩擦，致使推力軸（zhóu）承運行條（tiáo）件惡（è）化，甚至使推力瓦（wǎ）損傷。
由於推力（lì）盤采用了耐（nài）磨材（cái）料，一般（bān）情（qíng）況下，表（biǎo）麵粗糙度的增加主要由推力瓦的磨損造成，磨損（sǔn）的原因主要包括兩個方麵：（1）推力（lì）瓦（wǎ）與推力盤的摩擦，主要發生在低（dī）轉速工況（kuàng）下；（2）潤滑劑中存在固體顆粒。
潤滑劑中存在固體顆粒的來源考慮有三個方麵（miàn）：（1）潤滑劑來源於主係統冷卻劑（硼溶液），主係統冷卻劑（jì）中的雜質（zhì）；（2）推力瓦摩擦時掉落（luò）的石（shí）墨顆粒；（3）硼溶液結晶，通過控製（zhì）啟泵時軸承水溫可以避免。冷卻劑水質可以在核電站停堆後進行取（qǔ）樣分析，判斷水質是否合格以及推力（lì）瓦的磨損情況（kuàng）是否可以接受。
一般（bān）來說，在推力瓦的磨損過（guò）程中，表麵粗糙度總是增大的，推力瓦的表麵粗糙度超過安全值時，就會發生破壞。由上文可知，推力瓦的使用壽命不能單純用運行時間來衡量，還應該（gāi）考慮泵的（de）啟停次數和水質對表（biǎo）麵粗（cū）糙度的影響。當推力瓦的表麵（miàn）粗糙度（dù）超過安（ān）全值時，應立刻更（gèng）換瓦塊，這樣（yàng）才能保證屏蔽（bì）主（zhǔ）泵的運（yùn）行安全。
國內某單位試驗台架上的屏蔽泵曾因軸承水水質較差導致上部和下部徑向軸（zhóu）承石墨（mò）瓦均（jun1）出（chū）現較為嚴重（chóng）的磨損，與石墨（mò）瓦配合的軸套也出現了不同程度的磨損。
小結：（1）電站應盡（jìn）量減少屏蔽主泵的啟停次數；（2）電（diàn）站應盡量（liàng）縮短屏蔽主泵低轉速運行時間；（3）電站應保證主泵外置冷卻係統的可靠運行；（4）電站應重視轉速（sù）、溫（wēn）度、振動監測數據，在信號觸（chù）發停泵前判斷異常情況（kuàng）並提前分析處理，可降低對係統和設備的不利影響；（5）電站應在停堆後對屏蔽主泵腔體內的水質取樣分析，建議在（zài）後（hòu）續改進設計時考慮運行（háng）期間取樣的可能性；（6）電站在主（zhǔ）係統及（jí）與主（zhǔ）係統直接或（huò）間接連接係統檢修過程中，嚴格注意防異物管理；（7）電站主係統充排水流程需考慮盡量避免由（yóu）於充排水操作造成可能的雜質在主泵內積聚。
3 屏蔽主泵推（tuī）力軸（zhóu）承的維護探討
通過對（duì）屏蔽主泵推力軸承運行影（yǐng）響因素的分析可知，推力軸承在正常運行過程中主要存在以下損耗：（1）長期運行及多次（cì）啟停操作，導致石墨推力瓦磨（mó）損、表麵粗糙度降低；（2）長期運行，流致振動導致強（qiáng）度較低的部件應力集中區域疲勞（láo），導（dǎo）致緊（jǐn）固件位移或鬆脫；（3）長期運行，推力盤表麵、載荷（hé）平衡部件接觸麵磨損。
如果運行和維護不當，推力軸承在異常瞬態或事故條件下可能存在以下損傷：（1）石墨推（tuī）力（lì）瓦嚴重磨損、劃傷、塊狀剝落、開裂等；（2）推力（lì）瓦側夾板變形、斷裂；（3）推力瓦脫離瓦托和（hé）側夾板；（4）載荷平衡部件接觸麵嚴重（chóng）磨損；（5）推力盤（pán）磨損、開裂、熱變形。因此，必（bì）須（xū）重視屏（píng）蔽主泵（bèng）推力軸承的維（wéi）護、檢修。建議核電站在日常和大修階段采用以下策略和方案（àn）：（1）日常維護：設備管理（lǐ）工程師、維修工程（chéng）師對屏蔽主（zhǔ）泵溫度、振動等（děng）所有測量數據定期進行趨勢（shì）分析，為電站運行和（hé）大修計（jì）劃提供依據；準備足夠的備件（jiàn）。化學工（gōng）程師定期（qī）對主係統尤其主泵內部冷卻循（xún）環水（shuǐ）的水質進行分析，重點關注水質中金屬與碳的含量。（2）解體檢修：建議按照電站運行時間、啟停次數、惰轉等瞬態次數以及日常監測的數據，確（què）定是否在大修時對推力軸承進（jìn）行解體檢查（chá），推力軸承（chéng）檢測的項目至少包括：檢（jiǎn）查石墨推力瓦表麵粗糙度、平麵度以及是否有劃痕、裂紋等缺陷；檢查石墨推力瓦（wǎ）與（yǔ）瓦托、側夾板之間的配合是否緊密；檢查側（cè）夾板的內外部缺陷（無損檢測）；檢（jiǎn）測所（suǒ）有載荷平衡部件接觸麵的磨（mó）損情（qíng）況；檢查銷釘、螺釘等緊固件是否鬆（sōng）脫；檢查預緊彈（dàn）簧是（shì）否變形；檢查（chá）推力（lì）盤（pán）表麵粗糙度、平麵度以及是否有劃痕、裂紋等缺陷。對檢查（chá）不合格的部件進行修（xiū）複（如整體（tǐ）研磨）或更換。檢修過程必須保證屏蔽主泵腔體內部的清潔度。
4 結語
本文（wén）對核（hé）電（diàn）站屏蔽主泵推力軸承運行與維護進行了簡要的分析和探討，提（tí）出（chū）的潤滑劑取（qǔ）樣和部（bù）件維護策略等建（jiàn）議供（gòng）該（gāi）設備在國內的設計、製造和運行進行參考。由於大型屏蔽（bì）主泵在核電工業領域尚屬首次運用，沒有長時（shí）間的運轉經驗，且承擔了核電站安全功能，無論製造廠（chǎng）給出的運行與維護說明是什麽樣的，運行（háng）電站都必須持審慎的態度，充分理解和保守決策（cè），並在實際運行和維（wéi）護中總結和分享經（jīng）驗。為確保屏蔽主泵推力軸承故障情況下的快（kuài）速響應，也建議（yì）核電廠盡早開展推力軸承更換等維（wéi）修準備工作，從而減少屏蔽（bì）主泵故障對核電廠造成（chéng）的（de）經濟性影響。
參考（kǎo）文（wén）獻（xiàn）
[1]吳仁榮，林誌強，吳書朗．泵用水潤滑軸承的研發和應用[J]．水泵技術（shù），2012，（1）．
[2]黃成銘．反應堆主泵（bèng）水潤滑推力軸承的設計研究[J]．機械，1990，（3）．
[3]張仁江，武中德，張宏．核電主（zhǔ）泵電機水潤滑矽化石墨徑向軸承試驗研究[J]．節（jiē）能技術，2003，（3）．
[4]司占博，王鬆，郭（guō）陽楊（yáng）．水潤滑推力軸承推力瓦應力場分析（xī）[J]．潤滑與密封，2012，37（6）．
來源：《中（zhōng）國高新技術企業》2015年第13期
