董澤忠， 杜鳴杰， 顧宙， 田洪志

(1. 國核工程有限公司, 上海 200233；　2. 上海材料研究所, 上海 200437)

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AP1000核電站蒸發(fā)器支撐用球軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)失效原因分析

董澤忠1， 杜鳴杰2， 顧宙1， 田洪志1

(1. 國核工程有限公司, 上海 200233；2. 上海材料研究所, 上海 200437)

摘要：從球軸承磨損試驗(yàn)中的試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)軸承安裝、試驗(yàn)擺動(dòng)頻率、裝配過盈量、材料性能、軸承失效等方面詳細(xì)闡述AP1000蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)失效原因；重點(diǎn)對試驗(yàn)工裝方法、試驗(yàn)軸承安裝、裝配過盈量等方面的優(yōu)化，對提高AP1000蒸發(fā)器支撐用球軸承常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：球軸承； 擺動(dòng)磨損試驗(yàn)； 試驗(yàn)工裝方法; 軸承失效; 材料性能

AP1000 非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆蒸發(fā)器支撐用球軸承，安裝在反應(yīng)堆廠房內(nèi)蒸發(fā)器各橫向支撐上，目的是允許蒸汽發(fā)生器各橫向支撐隨著反應(yīng)堆冷卻劑回路和蒸汽發(fā)生器的熱脹適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，避免蒸汽發(fā)生器支撐系統(tǒng)產(chǎn)生過大的約束載荷。球軸承的AP1000 設(shè)備分級為A級，安全分級為SC-1級，屬抗震I級設(shè)備[1]。采用ASME NF1規(guī)范等級要求制造，設(shè)計(jì)壽命為60年，球軸承也稱向心關(guān)節(jié)軸承，在壽期內(nèi)至少經(jīng)受擺動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)800次，擺動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)后軸承潤滑面不得產(chǎn)生影響其性能的磨損。

AP1000蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承外圈材料要求高強(qiáng)度、高韌性，力學(xué)性能良好，經(jīng)過熱處理后具有良好的耐磨和耐腐蝕性能，選用ASTM A 705 S17400時(shí)效硬化不銹鋼鍛件；內(nèi)圈材料強(qiáng)度稍低于外圈材料，經(jīng)熱處理后也需具有良好的耐磨和耐腐蝕性能，選用ASTM B 505 UNS96900銅合金鑄件；內(nèi)嵌潤滑材料為石墨柱。

磨損試驗(yàn)也稱壽命試驗(yàn)，即在A類工況載荷3 500 kN條件下，球軸承擺動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)不少于800次，試驗(yàn)過程中潤滑面不得產(chǎn)生影響其性能的磨損。鑒于產(chǎn)品60年的設(shè)計(jì)壽命及所支撐的蒸發(fā)器的重要程度，并涉及到核安全相關(guān)方面，因此產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)尤為重要，而磨損試驗(yàn)是鑒定試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)；同時(shí)此類球軸承為國外供應(yīng)商獨(dú)家壟斷供應(yīng)，因此為打破壟斷而進(jìn)行的國產(chǎn)化研究及生產(chǎn)具有重要意義。

筆者主要探討AP1000蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承在產(chǎn)品開發(fā)定型試驗(yàn)中常溫?cái)[動(dòng)耐磨試驗(yàn)失效的原因及解決方法。

1試驗(yàn)失效的情況

在試驗(yàn)室進(jìn)行了AP1000蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承的常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)(見圖1)。

試驗(yàn)次數(shù)設(shè)定為799。球軸承安裝在磨損試驗(yàn)工裝中，磨損試驗(yàn)工裝放置在1 000 t壓力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺上，施加徑向靜載荷的預(yù)載值并恒壓數(shù)分鐘后，按規(guī)定載荷的速率加載，達(dá)到規(guī)定的徑向載荷值；并通過在內(nèi)圈擺角范圍內(nèi)已預(yù)訂的頻率進(jìn)行正負(fù)方向旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，在進(jìn)行到120次時(shí)，拉力傳感器顯示的拉力突然增大，約80 kN, 在第177次時(shí)，發(fā)現(xiàn)有異常響聲，隨后試驗(yàn)人員停止試驗(yàn)并拆開試驗(yàn)工裝，發(fā)現(xiàn)軸承及試驗(yàn)工裝失效，試驗(yàn)失敗。析解工裝及球軸承，具體失效形式見表1。

表1　失效部位及形式

注：1)外圈力學(xué)性能的技術(shù)要求為室溫拉伸Rp0.2≥1 000 MPa，Rm≥1 070 MPa，延伸率A≥12%，斷面收縮率≥45%；2)內(nèi)圈力學(xué)性能的技術(shù)要求為室溫拉伸Rp0.2≥724 MPa，Rm≥758 MPa，延伸率A50≥4%。

2試驗(yàn)失效原因及分析

球軸承常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)失效后，根據(jù)失效形式，軸承方面從試驗(yàn)軸承安裝、螺栓材料性能、裝配過盈量、試驗(yàn)擺動(dòng)頻率、材料硬度、材料力學(xué)性能、材料存在裂紋等方面分析可能導(dǎo)致軸承常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)失效的原因，并尋找改進(jìn)的方法[2-3]。

工裝方面從支撐軸承座、試驗(yàn)軸承座結(jié)構(gòu)、加載塊高度、試驗(yàn)軸承等方面進(jìn)行原因分析，并尋找改進(jìn)的方法。

針對試驗(yàn)失效的問題建立的故障樹見圖2。

2.1 外圈失效

2.1.1 連接螺栓斷裂

(1) 試驗(yàn)軸承安裝不當(dāng)。

拆卸工裝將試驗(yàn)軸承從軸承座中取出后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)軸承的放置位置為外圈接縫的正上方，與試驗(yàn)載荷處在同一直線位置上，受力方向?yàn)榇怪毕蛳隆氖芰η闆r可以推斷出，在加載過程中該側(cè)的連接螺栓承受較大的剪切力，從而使軸承外圈承載失效。

(2) 螺栓材料性能不足。

試驗(yàn)軸承外圈單側(cè)由2個(gè)M6的螺栓及1個(gè)d=6 mm的圓柱銷連接，螺栓材料為316不銹鋼，屈服強(qiáng)度為205 MPa。在本次磨損試驗(yàn)的安裝條件下，螺栓截面上承受的剪切應(yīng)力為3.36 GPa(載荷為3 850 kN)，遠(yuǎn)超出316不銹鋼的屈服強(qiáng)度。若軸承外圈接縫與試驗(yàn)加載載荷方向成90°，則螺栓基本不承受剪切應(yīng)力。該因素不是造成外圈失效的原因。

2.1.2 外圈與軸承座孔發(fā)生相對滑動(dòng)

(1) 裝配過盈量不足。

(2) 材料硬度不匹配。

內(nèi)圈材料為銅鎳錫合金C96900，實(shí)測硬度為HRC32.4；外圈材料為不銹鋼17-4PH，實(shí)測硬度為HRC 36.5。內(nèi)、外圈材料硬度相差4，因此不會(huì)因?yàn)橛捕冉贫箖?nèi)、外圈材料產(chǎn)生金屬黏著，進(jìn)而出現(xiàn)抱死的現(xiàn)象。該因素不是造成外圈失效的原因。

(3) 材料存在裂紋。

內(nèi)圈材料按技術(shù)要求在原材料階段按GB/T 18851—2012進(jìn)行滲透檢測，檢測報(bào)告表明內(nèi)圈材料表面無缺陷。該因素不是造成外圈失效的原因。

2.2 內(nèi)圈失效

(1) 試驗(yàn)軸承安裝不當(dāng)。

由于外圈開縫位置與試驗(yàn)載荷處于同一直線上，從而使外圈連接螺紋發(fā)生斷裂，進(jìn)而使外圈開縫部分與軸承內(nèi)圈直接產(chǎn)生線接觸。在3 520 kN的高載荷下，接觸的區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終使軸承發(fā)生斷裂。

(2) 材料性能不足。

軸承內(nèi)圈材料為銅鎳錫合金C96900，根據(jù)熱處理后的材料力學(xué)性能報(bào)告得知屈服強(qiáng)度為724 MPa；在3 520 kN作用下，軸承內(nèi)圈單位面積承受的應(yīng)力為381.68 MPa，小于屈服強(qiáng)度，所以材料性能滿足要求。該因素不是造成內(nèi)圈失效的原因。

2.3 試驗(yàn)工裝失效

2.3.1 試驗(yàn)軸承座連接螺栓斷裂

(1) 支撐軸承座未固定。

液壓機(jī)通過球鉸將力作用到擺桿上，對其進(jìn)行拉/推，從而帶動(dòng)軸承完成擺動(dòng)動(dòng)作。由于球鉸與擺桿非完全垂直，所以在球鉸施力過程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平分力。由于支撐軸承座未固定，所以水平分力通過芯軸作用到試驗(yàn)軸承安裝座上。因?yàn)榘惭b座是分體結(jié)構(gòu)，所以中間用M10的螺栓進(jìn)行連接。在水平分力作用下，試驗(yàn)軸承安裝座的一側(cè)承受較大的剪切作用，最終使連接螺栓發(fā)生斷裂。

(2) 試驗(yàn)軸承座結(jié)構(gòu)不合理。

現(xiàn)有的試驗(yàn)工裝壁厚過薄，與試驗(yàn)件的規(guī)格不成比例。此外，該實(shí)驗(yàn)載荷較大，分體結(jié)構(gòu)的抗拉及抗剪能力不足，軸承座動(dòng)態(tài)剛性(周向、徑向和軸向)不足，無法滿足要求。

2.3.2 擺桿連接螺母與試驗(yàn)臺架干涉

(1) 加載塊高度不夠。

現(xiàn)有加載塊高度不高，試驗(yàn)裝置裝配完畢后，擺桿連接螺母與試驗(yàn)臺架基本處于臨界位置(幾乎接觸)。試驗(yàn)過程中，軸承一旦發(fā)生變形，螺母便會(huì)與臺架發(fā)生接觸。

(2) 頻率快，升溫過高。

試驗(yàn)臺架上的軸承內(nèi)圈在±5°的擺角范圍內(nèi)以每分鐘5次的頻率擺動(dòng)1次。試驗(yàn)過程中溫度從11 ℃開始，在試驗(yàn)100次后軸承工裝外的溫度上升至最高25 ℃。外部檢查未發(fā)現(xiàn)異常。該因素不是造成試驗(yàn)工作失效的原因。

(3) 軸承失效。

由于軸承失效(內(nèi)圈斷裂)，內(nèi)外圈之間產(chǎn)生一定的空間，壓機(jī)在加載的同時(shí)向下發(fā)生一定位移，最終使臺架與連接螺母發(fā)生接觸。

2.4 試驗(yàn)失效故障機(jī)理分析

2.4.1 導(dǎo)致螺栓斷裂的受力分析

液壓機(jī)通過球鉸將力作用到擺桿上，對其進(jìn)行拉/推，從而帶動(dòng)軸承完成擺動(dòng)動(dòng)作。因連接軸與擺桿非完全垂直，故在連接軸施力過程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平推力。由于支撐軸承座未固定，水平推力通過芯軸作用到試驗(yàn)軸承安裝座上。

安裝座為分體結(jié)構(gòu)，中間用M10的螺栓進(jìn)行連接。在水平推力作用下，試驗(yàn)軸承安裝座的一側(cè)承受集中力載荷，最終使連接螺栓發(fā)生斷裂。

2.4.2 內(nèi)圈發(fā)生斷裂的受力分析

壓力機(jī)對試驗(yàn)軸承施加了3 570 kN的試驗(yàn)載荷。外圈接縫與試驗(yàn)載荷處在同一直線位置上，因此該側(cè)的連接螺栓承受了相當(dāng)大的剪切應(yīng)力并最終發(fā)生斷裂。外圈接縫處的受力情況也從原先比較平緩的面接觸變?yōu)楦訍毫拥木€接觸。在線接觸區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，最后超過內(nèi)圈材料的承受極限并最終發(fā)生斷裂。

2.4.3 內(nèi)圈斷裂后內(nèi)外圈之間的受力分析

內(nèi)圈發(fā)生斷裂之后，內(nèi)圈內(nèi)孔在試驗(yàn)載荷作用下形狀及尺寸已完全破壞，最后與軸抱死。而外圈接縫處的材料在壓力作用下也漸漸與內(nèi)圈壓緊，最后在芯軸的帶動(dòng)下，隨內(nèi)圈一同轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也與試驗(yàn)軸承座孔發(fā)生了相對運(yùn)動(dòng)。

2.4.4 拉力突然上升的受力分析

由于內(nèi)外圈之間產(chǎn)生了間隙(內(nèi)圈斷裂產(chǎn)生的)，試驗(yàn)壓力機(jī)在施加試驗(yàn)載荷的同時(shí)向下發(fā)生一定的位移。由于擺桿連接螺母與壓力機(jī)臺架在初始狀態(tài)下就基本處于臨界位置(幾乎接觸)，所以隨著壓力機(jī)的向下移動(dòng)，桿連接螺母與壓力機(jī)臺架便發(fā)生了接觸干涉，隨后拉力傳感器顯示拉力突然上升。

根據(jù)以上的分析和歸納，可以得出造成AP1000蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承的常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)失效原因主要有：試驗(yàn)軸承安裝不當(dāng)，裝配過盈量不足，支撐軸承座未固定，試驗(yàn)軸承座結(jié)構(gòu)不合理，試驗(yàn)軸承失效。

3改進(jìn)的方法

對上述試驗(yàn)失效的主要原因提出了以下改進(jìn)方法：

(1) 針對試驗(yàn)軸承安裝不當(dāng)問題，建議編制試驗(yàn)安裝規(guī)程，明確規(guī)定試驗(yàn)件安裝位置及試驗(yàn)工裝安裝順序及方法，安裝過程中嚴(yán)格按規(guī)程要求執(zhí)行。

(2) 針對裝配過盈量不足問題，建議根據(jù)球軸承在核島內(nèi)的實(shí)際安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)試驗(yàn)軸承座孔尺寸。

(3) 針對支撐軸承座未固定問題，建議在支撐軸承座下水平放置一塊厚鋼板并加工螺栓孔，試驗(yàn)裝置安裝完畢后，用螺栓將支撐軸承座固定在該水平板上。

(4) 針對試驗(yàn)軸承座結(jié)構(gòu)不合理，建議將試驗(yàn)軸承座設(shè)計(jì)為整體式，并增加壁厚，解決存在剪切力的問題。

(5) 增加加載塊高度，確保擺桿連接螺母與試驗(yàn)臺架保持互不接觸。

4結(jié)語

通過對球軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)失效的多因素分析，找到了原因并提出了改進(jìn)措施，為蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承國產(chǎn)化研究的各項(xiàng)試驗(yàn)提供了借鑒。

致謝：AP1000后續(xù)項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器支撐用球軸承國產(chǎn)化研究合作單位及國核工程國產(chǎn)化研究項(xiàng)目組全體成員。

參考文獻(xiàn)：

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Cause Analysis of Failed Swing Wearing Test for Spherical ` Support Bearing in the AP1000 Steam Generator

Dong Zezhong1, Du mingjie2, Gu Zhouzhou1, Tian Hongzhi1

(1. State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China;2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Abstract：Based on detailed analysis of the causes leading to failed swing wearing test for spherical support bearing in the AP1000 steam generator from aspects of test tooling installation, bearing installation, swing frequency, assembly fit tolerance, material properties, and specific information of the bearing failure, etc., improvement measures were proposed for the test with focus on optimization of corresponding test tooling installation, bearing installation, assembly fit tolerance and so on.

Keywords：spherical bearing; swing wearing test; test tooling installation; bearing failure; material property

中圖分類號：TM623.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0099-04

作者簡介：董澤忠(1973—)，男，工程師，主要從事AP1000核電設(shè)備監(jiān)造工作。E-mail: dongzezhong@snpec.com.cn

收稿日期：2015-10-21