王斌元,楊 寶,張?jiān)迫A
(1.三門核電有限公司,浙江三門 317002;2.中核運(yùn)行管理有限公司,浙江海鹽 314300)
壓水堆核電站的反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡稱主泵)被喻為反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的心臟,負(fù)責(zé)推動反應(yīng)堆冷卻劑在堆芯和蒸汽發(fā)生器之間循環(huán)運(yùn)動,一方面帶走堆芯熱量冷卻堆芯,另一方面將反應(yīng)堆產(chǎn)生的巨大熱量通過冷卻劑傳給蒸汽發(fā)生器。伴隨電廠的管理提升,在電廠一個(gè)換料周期基本不安排停堆檢修,所以要求主泵必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)運(yùn)行周期,并且在電廠運(yùn)行期間,主泵安裝廠房內(nèi)輻射劑量極高,對設(shè)備的檢查和維修增加了很大的困難,因此對主泵的可靠性要求極高。目前所有的壓水堆核電站主泵均采用電動泵,一般為立式混流結(jié)構(gòu),驅(qū)動電機(jī)則多采用立式鼠籠式感應(yīng)電機(jī)。秦山核電站的主泵配套電機(jī)(以下簡稱主泵電機(jī))為德國西門子公司生產(chǎn)的大型立式感應(yīng)電機(jī)。立式電機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制,在運(yùn)行期間存在油氣揮發(fā)而引起的軸承箱潤滑油少量損失問題屬于正?,F(xiàn)象。但在C13燃料周期內(nèi),主泵電機(jī)B的上軸承箱潤滑油的損失量忽然增大,最大損失量達(dá)到1 L/d,導(dǎo)致電機(jī)上軸承箱頻繁出現(xiàn)低油位報(bào)警,嚴(yán)重影響主泵及反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此后,通過對電機(jī)結(jié)構(gòu)以及油箱內(nèi)部潤滑油運(yùn)動狀態(tài)、壓力情況的分析,并通過對電機(jī)漏點(diǎn)檢查,找到了潤滑油大量損失的根源,并進(jìn)行了相應(yīng)處理,最終使缺陷情況得到有效控制,保證了主泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
主泵電機(jī)為立式鼠籠式感應(yīng)電機(jī),工作電壓6.6 kV,額定功率4500 kW,轉(zhuǎn)速1488 r/min。電機(jī)整體從結(jié)構(gòu)上可分為轉(zhuǎn)子、定子、電機(jī)支架及上、下軸承箱等部分。轉(zhuǎn)子由軸、推力盤、鼠籠和鐵芯、飛輪、定轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)扇及聯(lián)軸器組成。安裝在上軸承箱內(nèi)的推力軸承承受整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量,上、下軸承箱內(nèi)的導(dǎo)軸承則限制轉(zhuǎn)子的徑向運(yùn)動,所有的軸承采用稀油自潤滑方式,潤滑油冷卻使用強(qiáng)制水冷。它們被一個(gè)封閉式的瓦架所包圍,瓦架上部使用DUO(Dual O Type Seal,雙O形密封)分半式環(huán)形密封圈與推力頭之間形成相對密閉空間,保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)軸承的潤滑油供應(yīng)以及正常循環(huán)冷卻。在瓦架外部設(shè)置有環(huán)形油冷卻器,內(nèi)外側(cè)均設(shè)置有隔油擋板,一方面可以保證潤滑油的冷卻流動按照設(shè)計(jì)的路線進(jìn)行,另一方面可以消除由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)造成的潤滑油擾動,減小由于液面擾動對油位報(bào)警裝置的影響。推力盤內(nèi)部與電機(jī)軸之間設(shè)置有擋油管,并且安裝有3道浮油密封環(huán),使擋油管與推力盤之間相對密封,并阻止由于推力盤的轉(zhuǎn)動造成的潤滑油向上爬升。在上軸承箱的外壁上方設(shè)置有5個(gè)油溫、軸承溫度等測量裝置的出線孔,通過膠圈的方式與軸承箱壁之間密封。在上軸承箱外部設(shè)置有目視油位計(jì),油位計(jì)底部通過接管與軸承箱底部相連,上部安裝有帶濾芯的通氣過濾器以及帶有目數(shù)較大的過濾網(wǎng)的呼吸帽。軸承箱上蓋設(shè)置有兩個(gè)浮球式油位報(bào)警裝置和一個(gè)與目視油位鏡上方形同結(jié)構(gòu)的通氣過濾器。
在上機(jī)架的下部,即為轉(zhuǎn)子鐵心和定子線圈的冷卻風(fēng)扇。外殼板上的通風(fēng)孔,使冷卻空氣均勻的通過定子繞組的端部,進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯,上下通路匯合到一起后一起流向定子線圈,吹向外殼上的空冷氣,使冷卻氣流得到冷卻,最終使整個(gè)設(shè)備環(huán)境溫度得到冷卻。
按照公司預(yù)防性維修大綱的規(guī)定,在2010年度進(jìn)行的R12預(yù)防性維修中對主泵電機(jī)B進(jìn)行了檢修,在2010年8月3日進(jìn)行檢修后的空載試驗(yàn),試驗(yàn)一切正常。隨后的一個(gè)月由于其他設(shè)備問題,電機(jī)一直處于停運(yùn)狀態(tài)。2010年8月31日電站完成R12啟堆,主泵電機(jī)B正式投運(yùn)后。2010年9月3日主控觸發(fā)“主泵B電機(jī)上油槽油位低”小光子牌報(bào)警。通過現(xiàn)場油位監(jiān)測攝像觀察主泵電機(jī)B目視油位鏡,油位在中線上約3 mm,與8月31日相比,油位下降約5 mm,電機(jī)其余運(yùn)行參數(shù)正常。為了減小電機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),消除油位低報(bào)警,檢修人員進(jìn)入核島廠房內(nèi)進(jìn)行了外部檢查和緊急補(bǔ)油,從外部看,電機(jī)周圍地面上有油跡。2010年9月28日,主控再次觸發(fā)“主泵B電機(jī)上油槽油位低”報(bào)警,電機(jī)再次出現(xiàn)上軸承箱油位低報(bào)警。通過連續(xù)觀察計(jì)算,自運(yùn)行以來,潤滑油異常損失速率約為1 L/d,已經(jīng)嚴(yán)重超出了電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的潤滑油損失速率。
秦山核電有限公司1#機(jī)組中有2臺同樣形式的主泵電機(jī),該電機(jī)自安裝運(yùn)行以來一直存在因油氣散失引起的潤滑油少量損失現(xiàn)象,這屬于正常的潤滑油損失,一般在一個(gè)燃料周期內(nèi)潤滑油的損失量不足以達(dá)到報(bào)警值。而這次潤滑油異常損失速率約為1 L/d,可以肯定不是正常意義的油氣損失,初步判斷電機(jī)上軸承箱存在直接泄漏點(diǎn)。根據(jù)電機(jī)上軸承箱的結(jié)構(gòu),初步判斷可能存在7個(gè)外漏點(diǎn)。
(1)上軸承箱殼體及其與內(nèi)擋油管的連接采用鋼板焊接,焊縫存在泄漏可能。
(2)上軸承箱油冷器冷卻水法蘭與上軸承箱之間的密封墊片存在泄漏可能。
(3)軸承箱上蓋與軸承箱之間的密封存在泄漏可能。
(4)上軸承箱與推力頭外部間DUO墊片密封部位存在泄漏可能。
(5)上軸承箱蓋上的2個(gè)油位報(bào)警開關(guān)密封和加油孔呼吸器存在泄漏可能。
(6)上軸承箱側(cè)壁上方的5個(gè)測溫探頭信號線出線孔密封存在泄漏可能。
(7)潤滑油從推力頭和擋油桶間上升,最后跨過擋油桶引起泄漏。
初步分析上述泄漏點(diǎn),其中(1)和(2)點(diǎn)的位置在油箱油位以下,如果存在泄漏,潤滑油將直接漏出,存在泄漏的可能性比較大;(3)~(6)點(diǎn)均在潤滑油面的上方,潤滑油在軸承箱內(nèi)相對較安定,存在泄漏的可能性不大。推力頭和擋油桶間的浮動密封環(huán)失效造成潤滑油爬油或者浮油動密封環(huán)損壞造成與推力盤內(nèi)壁嚴(yán)重摩擦產(chǎn)生局部高溫,造成大量的油氣損失。
按照以上分析,檢修人員在機(jī)組運(yùn)行期間對主泵電機(jī)B進(jìn)行了檢查,打開相關(guān)的圍板,檢查所有的相關(guān)密封部位是否存在泄漏。由于推力頭和擋油桶間的浮動密封需要解體電機(jī)后才能檢查,所以采用通過打開上軸承箱下部集油槽底部的疏油閥,檢查是否存在潤滑油積存的方式加以判斷。
2010年9月29日,檢修人員進(jìn)入核島廠房內(nèi)對主泵電機(jī)B進(jìn)行了檢查,檢查后發(fā)現(xiàn)以下異常。
(1)在安裝和拆除電機(jī)上軸承箱上部的加油過濾器濾芯的兩種狀態(tài)下,上油槽目視油位計(jì)處油位讀數(shù)相差12 mm。
(2)拆出上軸承箱上部的加油口濾芯時(shí)發(fā)現(xiàn)有明顯氣涌現(xiàn)象,從加油口處觀察軸承箱內(nèi)部潤滑油運(yùn)動狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)油表面總體平靜,無渦旋、翻滾等狀況。上油槽上部空間內(nèi)持續(xù)有油星從電機(jī)中心向外甩出,運(yùn)動方向?yàn)橛呻姍C(jī)中心向外成散射狀。
(3)電機(jī)上軸承箱側(cè)壁上方的測溫探頭信號線出線孔下方有大量潤滑油泄漏痕跡。隨后打開其中一個(gè)密封孔時(shí),存在一股潤滑油向外涌出(圖1)。
圖1 儀表線孔泄漏
在以往的分析中,大部分立式電機(jī)的潤滑油損失一般多關(guān)注油面以下部位的泄漏和擋油管和推力盤之間的爬油現(xiàn)象,對于油位上部的位置均較少考慮。而本次發(fā)現(xiàn)的“位于高位的信號線孔連續(xù)、大量地?fù)p失潤滑油”現(xiàn)象在分析和檢查中更容易被忽略,從而導(dǎo)致判斷失誤。
根據(jù)主泵電機(jī)上油槽的結(jié)構(gòu),出線孔位于油位液面上方,距離油面高度約110 mm,一般該處只可能會有少量的油氣溢出,不會有大量的潤滑油直接泄漏。在檢查中還發(fā)現(xiàn),潤滑油泄漏在電站啟堆電機(jī)正式投運(yùn)后才開始出現(xiàn);在電機(jī)上油槽通氣變化的過程中,目視油位計(jì)內(nèi)的油位發(fā)生較大的變化。對于以上的現(xiàn)象,下面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
(1)目視油位計(jì)假油位現(xiàn)象。在檢查中發(fā)現(xiàn),電機(jī)上軸承箱的目視油位計(jì)存在一定的假油位現(xiàn)象。表現(xiàn)為,電機(jī)運(yùn)行時(shí),拔出上軸承箱蓋的加油濾芯(濾網(wǎng)密度130滋m)后,目視油位計(jì)油位下降約12 mm,恢復(fù)該濾芯則目視油位計(jì)油位恢復(fù)。
根據(jù)軸承箱的結(jié)構(gòu),可以將其簡化為一個(gè)連通器(圖2)。連通器兩側(cè)作用的壓力分別為大氣壓和軸承箱內(nèi)部壓力。如果軸承箱內(nèi)部壓力升高,大氣壓維持不變,則目視油位計(jì)內(nèi)的油位升高。升高的值就是內(nèi)外壓力差。在檢查中拔出加油濾芯時(shí)油位下降說明軸承箱內(nèi)部壓力減小,裝入加油濾芯時(shí)油位上升說明軸承箱內(nèi)部壓力增加。由此可知,電機(jī)上軸承箱內(nèi)部在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓力高于大氣壓力。
圖2 軸承箱與油位計(jì)簡化圖
(2)壓力來源分析。軸承箱內(nèi)壓力只有在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后才會產(chǎn)生,運(yùn)轉(zhuǎn)前后可能影響壓力的因素有溫度和離心作用。
電機(jī)上軸承箱在運(yùn)行一定時(shí)間后最終可以達(dá)到溫度恒定,加油濾芯阻力雖大但仍然可以排出部分空氣。假設(shè)軸承箱上部完全密閉,溫度所產(chǎn)生的內(nèi)壓積累和變化較為緩慢,但是這個(gè)壓力并不能源源不斷的產(chǎn)生,所以會在緩慢產(chǎn)生過程中會通過通氣過濾器排出。并且在達(dá)到恒定溫度之后它將與大氣壓平衡且不再變化,因此可以確認(rèn)壓力升高與因空氣變熱產(chǎn)生的膨脹無關(guān),是由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用導(dǎo)致。造成軸承箱內(nèi)壓力升高的原因是推力盤上部的回油孔。由于軸承箱內(nèi)部與空氣接觸的轉(zhuǎn)動部件均光滑且為正圓形,其轉(zhuǎn)動帶來的擾動對于粘度較低的空氣來說是可以忽略的,唯有此4個(gè)回油孔可以造成空氣的較強(qiáng)運(yùn)動。運(yùn)動的模式與推力頭下部潤滑油增壓孔的模式一致,便是旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力將推力頭內(nèi)側(cè)的空氣“泵”入軸承箱內(nèi)部(圖3)。
(3)壓力計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場測量目視油位鏡處潤滑油液面下降的高度,可以估算軸承箱內(nèi)的壓力約為P=籽gh=860伊9.8伊0.012=101 Pa。對此也使用理論方法對回油孔產(chǎn)生的風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算,并與P進(jìn)行比較驗(yàn)證。
首先,計(jì)算小孔產(chǎn)生的相對空氣壓力,因此需要進(jìn)行以下的初始條件假設(shè):淤油槽上部空間其他部位處于密閉狀態(tài),只有回油孔與外界空氣連通;于油槽內(nèi)油面完全平靜;盂潤滑油與空氣無反應(yīng)、互不溶解;榆油槽內(nèi)外空氣溫度恒定,質(zhì)量分布均勻。根據(jù)以上條件可得,當(dāng)電機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后,小孔內(nèi)部的空氣處于力學(xué)平衡狀態(tài)。設(shè)此時(shí)小孔兩側(cè)的氣壓分別為P1和P2,則P1-P2就是小孔產(chǎn)生的相對空氣壓力駐P。
另外以下兩條分析有助于簡化計(jì)算:由于小孔內(nèi)的空氣處于力學(xué)平衡狀態(tài),可以認(rèn)為小孔內(nèi)的氣體不與外界發(fā)生物質(zhì)交換,可看作一個(gè)固定的空氣柱;從現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)來看,小孔所產(chǎn)生的相對壓力數(shù)值微?。?00 Pa左右),對空氣的密度分布的影響可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為小孔內(nèi)的空氣沿小孔的軸線方向均勻分布,空氣柱密度一致。
空氣柱所受離心力為F=m棕2R=籽a(bǔ)TA棕2R,F(xiàn)沿孔軸線方向的分力為 F1=Fcos茲。F1產(chǎn)生的壓強(qiáng) 駐P=F1/Acos茲=籽a(bǔ)T棕2R,駐P抑119 Pa??芍酥蹬c現(xiàn)場觀測的結(jié)果相符合。理論計(jì)算值駐P作用于油槽內(nèi)部潤滑油表面后引起的液位差值為h=駐P/(籽lg)=119/(9.8伊860)抑0.014 m=14 mm。因此可知,如果將主泵電機(jī)上油槽至于完全密封狀態(tài),由于推力頭旋轉(zhuǎn)而引起的內(nèi)部壓力升高會使目視油位計(jì)產(chǎn)生約14 mm的假油位?,F(xiàn)場觀測的約12 mm假油位除觀測誤差外,是因?yàn)楝F(xiàn)場狀況與計(jì)算時(shí)的初始假設(shè)條件不一致引起。
根據(jù)以上現(xiàn)象推測軸承箱內(nèi)部由于某種原因產(chǎn)生了高于大氣壓的壓力,而濾芯的通氣性能不高,致使安裝濾芯后內(nèi)部憋壓產(chǎn)生內(nèi)外壓差。
圖3 推力盤空氣走向
圖4 推力盤尺寸
根據(jù)主泵電機(jī)上油槽的結(jié)構(gòu)形式,出線孔位于油位液面上方,距離油面高度約110 mm,在檢查中發(fā)現(xiàn)該處存在持續(xù)的泄漏,并且在打開其中一個(gè)密封孔時(shí),存在一股潤滑油向外飆出,因此可以肯定有潤滑油持續(xù)到達(dá)該位置才會產(chǎn)生這樣的問題,所以對上軸承箱內(nèi)潤滑油運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析。
(1)潤滑油的運(yùn)動狀態(tài)總體描述。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,推力頭外側(cè)有封閉式的瓦架,推力頭工作時(shí)對潤滑油造成的擾動被限制在瓦架內(nèi)部,因此整箱潤滑油不會產(chǎn)生渦旋運(yùn)動。瓦架外部的潤滑油部分做強(qiáng)制對流運(yùn)動,部分做自然對流運(yùn)動。在推力頭上下側(cè)的4個(gè)潤滑油供油孔的驅(qū)動下,靠近內(nèi)側(cè)的潤滑油從瓦架的下部空隙內(nèi)流入瓦架內(nèi)部,通過導(dǎo)流管運(yùn)動至冷油器上部,形成強(qiáng)制對流運(yùn)動。其他區(qū)域的潤滑油則在熱力作用下做自然對流運(yùn)動?,F(xiàn)場觀察上軸承箱內(nèi)部潤滑油的運(yùn)動狀態(tài)總體表現(xiàn)較為表面平靜,液面下部存在對流。
(2)推力頭與擋油管之間區(qū)域。推力頭與擋油筒之間設(shè)計(jì)有3道浮油密封環(huán),可以破壞推力頭內(nèi)孔附近潤滑油隨推力頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋運(yùn)動,減弱潤滑油沿推力頭內(nèi)孔壁上爬的趨勢。在浮油密封環(huán)以上部分的推力頭內(nèi)孔設(shè)計(jì)為錐形,可使部分上爬的潤滑油在離心力切向分力的作用下向下運(yùn)動回流;對于未被阻止上爬的潤滑油將由推力頭上部的4個(gè)回油孔進(jìn)行回收。
如果浮油密封環(huán)與推力頭內(nèi)孔間隙超過原始設(shè)計(jì)值則會導(dǎo)致密封效果劣化,上爬油趨勢增加,在回收不暢的情況下潤滑油會從擋油管內(nèi)向外泄漏。
(3)推力頭與瓦架之間區(qū)域。推力頭與瓦架之間的區(qū)域內(nèi)部的潤滑油運(yùn)動十分激烈,運(yùn)動復(fù)雜且具有隨機(jī)性。但大致的趨勢還是潤滑油從推力頭下部的供油孔進(jìn)入,經(jīng)過推力頭的離心作用“泵”入導(dǎo)瓦室,一部分用于潤滑,由安裝在瓦架上的導(dǎo)流管流出至冷油器進(jìn)行冷卻。另一小部分則在壓力作用下經(jīng)由推力盤與瓦架之間的DUO密封之間的間隙排出。借助推力頭的轉(zhuǎn)動向外甩出,形成散射狀油滴飛濺。這些油滴被輸送到軸承箱內(nèi)表面可能到達(dá)的區(qū)域,包括信號線孔處。
在檢查過程中,也確實(shí)發(fā)現(xiàn)上油槽上部空間內(nèi)持續(xù)有油星從電機(jī)中心向外甩出,運(yùn)動方向?yàn)橛呻姍C(jī)中心向外成散射狀。
根據(jù)前文闡述,可以了解軸承箱內(nèi)的潤滑油既有可以到達(dá)信號線孔處的可能性,又有向外泄漏的驅(qū)動力,如果此處的信號線孔密封不良則造成潤滑油泄漏損失是顯而易見的事情。但是在設(shè)備管理過程中問基于經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,此處的密封要求應(yīng)該很低,僅用于阻擋灰塵和異物。包括廠家提供的電機(jī)說明書中對此處的密封要求也未做描述,外部的咨詢和檢修資料也鮮有提及。加上處于強(qiáng)輻射區(qū)工作的主泵電機(jī)在運(yùn)行期間無法現(xiàn)場長時(shí)間監(jiān)控的限制,從而使小缺陷變成了大問題。
通過此次缺陷的分析及處理,可知此類結(jié)構(gòu)的電機(jī)軸承箱的各個(gè)相關(guān)部位都應(yīng)該有一定的氣密性要求,雖然軸承箱內(nèi)部潤滑油運(yùn)動不激烈,但是仍然可能造成一些較高位置的漏油。對于相關(guān)的可能泄漏部位應(yīng)該做定期的檢查,如信號線孔之類的密封件應(yīng)該定時(shí)更換,以消除潤滑油泄漏增加的隱患。
根據(jù)以上分析和檢查結(jié)果,要消除潤滑油泄漏的缺陷則必須對存在泄漏的出線孔密封進(jìn)行更換。但是,由于缺陷發(fā)生時(shí)是夏季用電高峰,更換出線孔密封件需要較長時(shí)間。因此,采取緊急處理方案。從外部修復(fù)出線孔和降低軸承箱內(nèi)部氣壓驅(qū)動力,以緩解或消除目前的潤滑油損失。
(1)緊固漏油的出線孔貫穿件,再使用油面密封膠對其進(jìn)行修補(bǔ)。
(2)將加油口過濾器進(jìn)行修改,在其側(cè)面對穿鉆2個(gè)直徑10 mm的孔以泄出軸承箱內(nèi)部的部分壓力,降低信號線孔處的泄漏驅(qū)動力。
實(shí)施以上兩步操作后,再經(jīng)過一段時(shí)間的觀察,上軸承箱的漏油速率已經(jīng)降低至可接受的范圍,潤滑油損失現(xiàn)象明顯得到了有效控制。
在大型立式電機(jī)上,這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)油箱形式皆存在一定的潤滑油異常損失問題。電機(jī)油箱潤滑油異常損失,不但會使油箱內(nèi)油量減少,軸承潤滑冷卻效果降低,而且還會因電機(jī)長期受潤滑油的浸蝕、線圈絕緣下降等。潤滑油在電機(jī)各層面積存,運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)溫度較高,存在極大的火災(zāi)隱患。這些因素全都影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析,只有嚴(yán)格控制電機(jī)產(chǎn)生內(nèi)漏和外漏的影響因素,才能使電機(jī)潤滑油的異常損失得到有效的控制和解決。當(dāng)然,還需要做進(jìn)一步的思考,包括油箱內(nèi)潤滑油飛濺的影響因素、油箱內(nèi)輕微內(nèi)壓對軸承潤滑作用的影響等等,以使?jié)櫥蛽p失達(dá)到近可能小的程度。