李 宏

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

某核電廠低加疏水系統(tǒng)（ACO）配置為2×100%的低加疏水泵。該泵為國(guó)產(chǎn)單級(jí)、單吸、懸臂式離心泵。泵的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 低加疏水泵結(jié)構(gòu)

1 故障概述

泵正常工況運(yùn)行時(shí)，電流突然在3 min 內(nèi)從約280 A上升至約490 A,為避免異常發(fā)生而手動(dòng)停泵。

設(shè)備停運(yùn)后，經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)：①泵拆卸前對(duì)轉(zhuǎn)子盤車發(fā)現(xiàn)存在明顯卡澀；②泵軸已在葉輪處斷裂（圖2）；③葉輪前口環(huán)（入口側(cè)）及配合位置的泵體口環(huán)存在明顯磨損；④泵體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)外來異物，葉輪吸入口葉片未見明顯傷痕或裂紋。

圖2 斷口宏觀形貌

2 低加疏水泵斷軸原因分析

比對(duì)3 次斷軸的主要特征，結(jié)合魚骨圖工具，并根據(jù)故障特點(diǎn)、設(shè)備原理等，列出原因因素（圖3）。

圖3 魚骨圖

2.1 系統(tǒng)流程

（1）系統(tǒng)閥門內(nèi)漏。檢查發(fā)現(xiàn)4ACO203VL 存在內(nèi)漏，但其為泵進(jìn)口的常開閥門，內(nèi)漏不影響系統(tǒng)和泵運(yùn)行。因此排除。

（2）入口濾網(wǎng)堵塞。檢查4ACO201FI 濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)清潔度良好。因此排除。

（3）進(jìn)出口管線布置。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比核查，4ACO301/302PO管線布置基本一致，且4ACO301PO 泵保持穩(wěn)定運(yùn)行。因此排除。

2.2 裝配精度

（1）泵的配合間隙不合格。經(jīng)過檢查泵裝配數(shù)據(jù)，葉輪前、后口環(huán)配合間隙均在合格范圍內(nèi)。因此排除。

（2）泵不對(duì)中。經(jīng)對(duì)中復(fù)查，圓周偏差和端面偏差及靠背輪間距均在要求范圍內(nèi)，泵對(duì)中無問題。因此排除。

2.3 運(yùn)行狀態(tài)

（1）泵反轉(zhuǎn)。通過對(duì)電機(jī)空載試驗(yàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)向正確。

（2）泵水力性能改變。經(jīng)核實(shí)4ACO302PO 歷史運(yùn)行參數(shù)發(fā)現(xiàn)：該泵的出口流量較3ACO301/302PO、4ACO301PO 呈現(xiàn)出更大的波動(dòng)現(xiàn)象。4ACO302PO 出口流量波動(dòng)幅度達(dá)40 m3/h，而其余泵的波動(dòng)幅值約為15 m3/h。在更大幅度的流量波動(dòng)下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子將承受更多變、更大頻率的不穩(wěn)定載荷，促使泵軸疲勞程度逐漸加劇。根據(jù)上述分析，該因素導(dǎo)致設(shè)備故障的可能性高。

2.4 機(jī)械故障

（1）軸承損壞。各軸承溫度合格，且拆卸檢查未發(fā)現(xiàn)軸承存在損傷。因此排除。

（2）泵軸材料、加工工藝缺陷。分析顯示：斷裂泵軸的斷裂模式為疲勞斷裂，其材料成分滿足國(guó)標(biāo)要求，材料凈度、布氏硬度、拉伸性能等指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)要求，但泵軸的抗沖擊吸收功低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（表1）。根據(jù)上述分析，該因素是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要原因。

表1 泵軸沖擊性能測(cè)試結(jié)果

圖4 葉輪出口側(cè)壁厚不均勻

（3）前蓋板的厚度偏差過大，導(dǎo)致泵軸承受更大的交變應(yīng)力。檢查發(fā)現(xiàn)4ACO302PO 葉輪前后蓋板去重后的厚度偏差最大約10 mm（遠(yuǎn)大于對(duì)比排查4ACO301PO 的對(duì)應(yīng)值3 mm），見圖4。前后蓋板過大的、不規(guī)則的厚度偏差，造成泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在葉輪流道區(qū)域形成的軸向不對(duì)稱、過流軸心線不對(duì)稱的情況，由此觸發(fā)“回流（旋渦）”的產(chǎn)生。當(dāng)形狀偏差產(chǎn)生的壓力梯度（背葉片效應(yīng)）促使反向流進(jìn)入較窄的流道時(shí)，由于局部速度瞬間增加，可能在此時(shí)形成初生或更嚴(yán)重的空化現(xiàn)象。該局部空化破壞，沖刷金屬表面，并導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)子承受更大的交變載荷，加速泵軸（特別是承受彎矩較大的葉輪處）的疲勞程度。

此外，現(xiàn)場(chǎng)檢查運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的第1 次斷軸事件的葉輪發(fā)現(xiàn)：該單吸葉輪后蓋板的出口側(cè)外圓區(qū)域存在大約23 cm 長(zhǎng)的密集點(diǎn)坑帶（汽蝕損傷的典型特征）。因該葉輪設(shè)置了4 個(gè)平衡孔，所以根據(jù)水往低處流的原理，“回流”將優(yōu)先并更高速的從葉輪背部區(qū)域流動(dòng)（旋渦），并可能在流道收窄區(qū)域產(chǎn)生了初生空化。根據(jù)上述分析，該因素導(dǎo)致設(shè)備故障的可能性高。

3 結(jié)論分析

（1）直接原因：流量波動(dòng)過大。泵出口流量波動(dòng)較大，使得泵運(yùn)行過程中泵軸承受更大、更多變的交變載荷，加速了泵軸的疲勞損壞。

（2）促成原因：葉輪動(dòng)平衡去重方法不科學(xué)，導(dǎo)致前后蓋板的厚度不均勻。在之前的泵葉輪制造過程中，為消除葉輪動(dòng)平衡試驗(yàn)不合格，采取了車削葉輪（前/后）蓋板圓周邊緣的方式。并且僅考慮兩側(cè)蓋板的去重質(zhì)量，忽略了車削及打磨后的形狀。在之前的方式下，前/后蓋板車削（和打磨）后的軸向厚度不均（不均的區(qū)域相差最大約10 mm），使得該區(qū)域形成了類似于離心泵背葉片的泵送效應(yīng)，并將泵送流體與配合的泵殼/泵蓋部分產(chǎn)生相互作用。由于該區(qū)域的形狀是不規(guī)則的，導(dǎo)致由此產(chǎn)生的軸向力與徑向力存在較大的不穩(wěn)定性，引起泵軸在正常運(yùn)行時(shí)所受的交變載荷較大，最終造成泵軸斷裂。

（3）根本原因：泵軸抗沖擊性能不合格。委托具有專業(yè)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)分析顯示：斷裂泵軸材料第1 次斷裂泵軸抗沖擊吸收功為5～8 J，第2 次斷裂泵軸抗沖擊吸收功為6～19.5 J,《GB/T 1220—2007 不銹鋼棒》要求抗沖擊吸收功≥24 J。

綜上分析：泵軸抗沖擊性能不合格，是導(dǎo)致泵軸斷裂的根本原因。

4 結(jié)論與建議

在本事件處理過程中，從現(xiàn)場(chǎng)工作組織、復(fù)雜故障分析與處理等方面，均有較多的有益經(jīng)驗(yàn)，主要體現(xiàn)在：

（1）設(shè)備驗(yàn)收要高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。對(duì)各類設(shè)備或備件等驗(yàn)收過程中，不僅要檢查零部件裝配是否滿足廠家編制的技術(shù)要求，還要驗(yàn)證是否滿足領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，是否低于同類型設(shè)備的慣例（橫向?qū)Ρ龋员銖脑搭^上提高設(shè)備的可靠性水平。

（2）在設(shè)備檢修過程中，要明確和完善裝配要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)裝配過程的可靠性和有效性，以便保障設(shè)備投運(yùn)后安全、可靠運(yùn)行。

（3）維修工作組織的嚴(yán)細(xì)化、精準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。在各類糾正性、預(yù)防性等維修工作中，標(biāo)準(zhǔn)化的有效維修，對(duì)維修后設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要。要用技術(shù)方案指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作、用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)技術(shù)方案，要充分使用各類工具進(jìn)行根本原因分析并指導(dǎo)故障處理思路。

（4）要始終保持質(zhì)疑的工作態(tài)度。對(duì)于出廠編制的各類文件，要深入鉆研、敢于提問，結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)的有關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行對(duì)比分析，以便診斷故障原因。