劉振華，吳 炯

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

某電站一期工程采用了國(guó)內(nèi)成熟的CPR1000 壓水堆技術(shù)，為2 臺(tái)百萬(wàn)千瓦機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)有2×50%循環(huán)水泵。該泵組主要將經(jīng)粗格柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過(guò)濾后的海水輸送到凝汽器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二回路蒸汽的冷卻，確保整個(gè)機(jī)組的熱力循環(huán)順利進(jìn)行。

該循環(huán)水泵為大型立式混凝土蝸殼泵，在電站現(xiàn)場(chǎng)組裝，主要由預(yù)埋件、葉輪、泵軸、齒輪箱、油站、電機(jī)及其他附屬管線組成。

在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)，該泵組齒輪箱底部輸出軸處有大量油霧冒出并伴有刺激性氣味，而且還導(dǎo)致了如下問(wèn)題：①油霧揮發(fā)極大地加速了齒輪箱潤(rùn)滑油損耗，耗油量約1 L/d；②揮發(fā)的油霧凝結(jié)后形成大量油跡，增加了人員滑跌的風(fēng)險(xiǎn)；③揮發(fā)的油霧在齒輪箱層廠房聚集，導(dǎo)致該房間消防探頭多次報(bào)警，降低了消防設(shè)施的可靠性；④揮發(fā)的油霧對(duì)電站運(yùn)維人員身體健康造成了潛在危害。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該循環(huán)水泵齒輪箱為國(guó)內(nèi)某齒輪箱公司產(chǎn)的HDBT 型產(chǎn)品，其最大傳輸功率為7140 kW，輸入轉(zhuǎn)速為745 r/min，輸出轉(zhuǎn)速為179 r/min，齒速比為4.16，潤(rùn)滑油為長(zhǎng)城ISO VG100 礦物油（牌號(hào)長(zhǎng)城4408）。

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)為立式行星輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)輸入扭矩后，經(jīng)太陽(yáng)輪—行星輪—內(nèi)齒輪嚙合副傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)行星架實(shí)現(xiàn)減速輸出，齒輪箱下部設(shè)計(jì)有組合軸承。它除了承受齒輪箱和水泵的徑向力外，還承受齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)部件的自重、水泵轉(zhuǎn)子的自重以及水泵工作時(shí)所產(chǎn)生的推力。作為整個(gè)循環(huán)水泵潤(rùn)滑油系統(tǒng)的大油箱，齒輪箱箱體底部日常工作時(shí)潤(rùn)滑油量約為1600 L。

齒輪箱輸出端的密封采用插入式靜止的擋油筒隔離結(jié)構(gòu)，擋油筒始終高于齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油油面。擋油筒與齒輪箱推力軸之間有剖分式的密封圈進(jìn)行密封，該密封圈使用兩圈扣合式彈簧來(lái)抱和成為一個(gè)整圓，來(lái)保證立式齒輪箱的密封（圖1）。

圖1 齒輪箱輸出端結(jié)構(gòu)

推力軸與密封擋圈配合處上方圓周開有8 個(gè)直徑為16 mm的孔（氣壓平衡孔），用于平衡齒輪箱內(nèi)外氣壓。

齒輪箱箱蓋的頂部裝有帶加長(zhǎng)桿的呼吸器，用于平衡齒輪箱內(nèi)外氣壓（圖2）。

2 原因分析

2.1 密封圈磨損產(chǎn)生油霧

2.1.1 密封圈產(chǎn)生干涉

圖2 呼吸器安裝示意

齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)副唯一接觸結(jié)構(gòu)為擋油筒上安裝的密封圈，該密封圈可能產(chǎn)生干涉引發(fā)摩擦。

對(duì)密封圈處配合尺寸進(jìn)行分析，密封圈和推力軸的平均間隙為0.25 mm，密封圈和擋油筒間隙為3 mm。由此可知，推力軸、密封擋圈、擋油筒形成一個(gè)浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生干涉問(wèn)題。

2.1.2 密封圈材質(zhì)問(wèn)題

密封圈材料為聚酰亞胺，為驗(yàn)證該密封圈的耐磨性、低發(fā)煙率、高溫下不燃燒等特性，對(duì)其進(jìn)行耐磨和燃燒試驗(yàn)。

（1）耐磨試驗(yàn)流程。

①將工裝法蘭的軸頸夾持在車床夾盤上，調(diào)整機(jī)床轉(zhuǎn)速，利用旋轉(zhuǎn)的工裝法蘭模擬齒輪箱推力軸內(nèi)孔與密封擋圈的摩擦，試驗(yàn)時(shí)兩者接觸的線速度與實(shí)際運(yùn)行工況保持接近；

②試驗(yàn)采取兩種工況：一是密封圈與法蘭斷面直接進(jìn)行干摩擦，二是在密封圈涂抹鋰基潤(rùn)滑脂，進(jìn)行濕式摩擦；

③試驗(yàn)時(shí)間：干摩擦和濕摩擦各進(jìn)行1 h；

④法蘭面和推力軸內(nèi)孔粗糙度保持一致；

⑤摩擦力：通過(guò)調(diào)整刀架，模擬兩者間較大的摩擦力。

耐磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，無(wú)論是干式摩擦還是濕式摩擦，在實(shí)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)均無(wú)煙霧產(chǎn)生；試驗(yàn)結(jié)束后，密封圈端面未產(chǎn)生明顯磨損。

（2）燃燒試驗(yàn)。

利用焊槍火焰對(duì)準(zhǔn)密封圈（火焰溫度約250 ℃），持續(xù)燃燒5 min，經(jīng)過(guò)高溫加熱，密封圈未見煙霧產(chǎn)生，也未發(fā)生劇烈自燃現(xiàn)象。停止加熱后，密封圈自熄。

由上述分析可知，在設(shè)計(jì)上，密封圈處為浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)干涉摩擦；同時(shí)，密封圈材質(zhì)優(yōu)異，耐磨和耐熱性好，不會(huì)在軸承輸出端處產(chǎn)生油霧。

2.2 潤(rùn)滑油選型不當(dāng)

安裝調(diào)試時(shí)，齒輪箱用潤(rùn)滑油為長(zhǎng)城100#齒輪油。該油品為礦物油，相比合成油，但具有揮發(fā)性更高、黏度指數(shù)低、低溫流動(dòng)性差、氧化安定性低、熱安定性低、較低的剪切安定性等不足。為驗(yàn)證該油品揮發(fā)性，分別選取市場(chǎng)上4 種代表性的同黏度油品進(jìn)行揮發(fā)性試驗(yàn)。檢測(cè)方法SH/T 0026—1990，試驗(yàn)結(jié)果見表1。其中，除長(zhǎng)城4408（100#）為礦物油外，其他均為合成油。

表1 4 種代表性油品在不同溫度下的揮發(fā)性檢測(cè)結(jié)果 %

由表1 可知，70 ℃時(shí)，礦物油長(zhǎng)城4408（100#）揮發(fā)性最大，而3 種合成油揮發(fā)性相差不大，僅為礦物油的一半；隨著溫度升高，4 種油品揮發(fā)速率均加快，但合成油美孚SHC627 和殼牌100#表現(xiàn)良好，且美孚SHC627 揮發(fā)穩(wěn)定性更高。

齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油溫約50 ℃，推力瓦處溫度為70 ℃，太陽(yáng)輪和行星輪嚙合處溫度更高。鑒于美孚SHC627 揮發(fā)穩(wěn)定性好，后續(xù)電廠用該油品進(jìn)行了替代。經(jīng)一段時(shí)間驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑油損耗明顯變?。? 個(gè)循環(huán)周期未加油），油霧揮發(fā)也得到一定改善，但是油霧冒出問(wèn)題仍未得到根本解決。

2.3 齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

2.3.1 呼吸器設(shè)計(jì)不合理

查詢潤(rùn)滑油SHC627 的黏度特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，溫度達(dá)到50 ℃左右時(shí)，其黏度會(huì)大大較低（SHC627 在20 ℃時(shí)黏度為274 cSt，50 ℃時(shí)為63 cSt），在油溫作用下會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性油霧。同時(shí)，齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)部齒輪的相互嚙合以及軸承的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，潤(rùn)滑油在齒輪高速甩動(dòng)和高溫蒸發(fā)下，會(huì)霧化生成大量混合氣體。齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)生成的熱量對(duì)齒輪箱內(nèi)部油霧和空氣進(jìn)行加熱，使其受熱后體積膨脹，從而會(huì)造成齒輪箱內(nèi)部氣壓增加。

為維持齒輪箱內(nèi)外部氣壓平衡，保持齒輪箱各部位良好密封，在齒輪箱頂部位置設(shè)計(jì)呼吸器裝置（圖2）。齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，打開呼吸器后可以看到大量油液從加長(zhǎng)桿內(nèi)孔中飛濺外溢，造成油液粘附在透氣帽的過(guò)濾網(wǎng)上，使其孔徑變小甚至堵塞，進(jìn)而使齒輪箱內(nèi)的大量氣體無(wú)法及時(shí)排出。箱體內(nèi)混合氣體不斷聚集，壓力急劇上升，箱體內(nèi)溫度越高，與外界的壓力差越大，當(dāng)其增大到一定程度后，霧化氣在壓差作用下從齒輪箱輸出端、呼吸器憋出。

為驗(yàn)證上述成因，對(duì)同系列齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)流程：①將齒輪箱頂部支架用塑料保鮮薄膜進(jìn)行纏繞密封，以模擬齒輪箱實(shí)際運(yùn)行工況，齒輪箱呼吸器數(shù)量、規(guī)格和正常帶載運(yùn)行保持一致；②齒輪箱試車時(shí)的潤(rùn)滑油油溫、油壓、供油流量、油位與正常帶載運(yùn)行保持一致；③施加徑向載荷連續(xù)試車2 h。

（2）試驗(yàn)結(jié)果：①打開齒輪箱呼吸器，有大量混合氣體從齒輪箱內(nèi)部往外冒出；②齒輪箱底部能明顯看到氣體冒出；③試車結(jié)束后打開呼吸器，呼吸器內(nèi)殘留大量潤(rùn)滑油。

由上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程可知，呼吸器接口未增設(shè)擋油板，輸入法蘭在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將大量潤(rùn)滑油甩向加長(zhǎng)桿，油液飛濺到透氣帽內(nèi)的過(guò)濾網(wǎng)，進(jìn)而引起透氣帽的透氣效率降低。另外，所選用透氣帽可流通空氣流量過(guò)小，不利于齒輪箱內(nèi)部大量混合霧氣的排出。這兩種因素造成箱體內(nèi)氣壓遠(yuǎn)大于外部環(huán)境氣壓，從而使箱體內(nèi)的混合霧氣從各通氣處外泄。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)呼吸器進(jìn)行了3 次升級(jí)改造，將呼吸器加大加高的同時(shí)，在筒壁內(nèi)部增設(shè)折流板，以增加油霧揮發(fā)的沿程阻力。該新型呼吸器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證后，齒輪箱底部油霧揮發(fā)現(xiàn)象得到解決，但是油霧改從呼吸器處冒出。該方案仍未能從根本上解決油霧冒出的問(wèn)題。

2.3.2 齒輪箱結(jié)構(gòu)未完全封閉

從上述試驗(yàn)可知，該類型采用100#黏度潤(rùn)滑油的齒輪箱，產(chǎn)生大量油霧已不可避免，呼吸器的改造只是將油霧從齒輪箱輸出軸處改為從呼吸器處冒出，只要齒輪箱存在外泄的通道，油霧就會(huì)和內(nèi)部空氣一起溢出，通道越大，溢出越多。

為驗(yàn)證該成因，對(duì)齒輪箱進(jìn)行全封閉試驗(yàn)（未帶載）。

（1）試驗(yàn)流程：①將呼吸器盲板堵住，堵塞輸出軸平衡氣壓孔，在齒輪箱上相蓋處安裝氣壓表來(lái)測(cè)量其內(nèi)部氣壓數(shù)值，驗(yàn)證齒輪箱箱體內(nèi)部氣壓能否自動(dòng)平衡；②拆除所有呼吸器盲板和推力軸平衡氣壓孔絲堵，齒輪箱長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，進(jìn)行油耗試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在746 r/min，供油流量為350 L/min，供油壓力0.16 MPa，密封工裝處壓力為0 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 氣壓試驗(yàn)結(jié)果（未帶載）

（2）試驗(yàn)結(jié)果：①經(jīng)過(guò)6 d 的試驗(yàn)，齒輪箱上部壓力表數(shù)值一直為0，說(shuō)明封堵通道后，氣體可以在箱體內(nèi)部自動(dòng)平衡；②拆除壓力表，明顯發(fā)現(xiàn)該處有油霧溢出；③觀察齒輪箱輸出端，未觀察到有油霧現(xiàn)象；④經(jīng)過(guò)5 d 的油耗試驗(yàn)，耗油量為18.5 L。

通過(guò)對(duì)齒輪箱的輸出軸平衡氣壓孔及呼吸器進(jìn)行完全封堵，齒輪箱未觀察到任何油霧冒出。根據(jù)壓力表測(cè)量結(jié)果，完全封堵后齒輪箱內(nèi)部氣壓很低，對(duì)齒輪箱運(yùn)行無(wú)任何不利影響。

所以，在該齒輪箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，選用黏度100#的潤(rùn)滑油，其在油溫和齒輪嚙合及高速軸甩動(dòng)下會(huì)導(dǎo)致油霧產(chǎn)生，而齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對(duì)油霧和空氣進(jìn)行加熱后，在內(nèi)外部通道未完全封堵的情況下，使其從通道溢出，最終導(dǎo)致油霧揮發(fā)。

3 解決方案

基于原因分析和試驗(yàn)結(jié)果，為了防止油霧從齒輪箱內(nèi)部冒出，可以從減少齒輪箱向外部排氣點(diǎn)和改善齒輪箱通氣條件入手，優(yōu)化、改進(jìn)齒輪箱呼吸器結(jié)構(gòu)，同時(shí)封堵輸出軸氣壓平衡孔，防止油霧溢出。具體方案如下：

（1）優(yōu)化呼吸器結(jié)構(gòu)：將原有呼吸器加大加長(zhǎng)，呼吸器筒壁內(nèi)部增設(shè)折流板，同時(shí)，為防止運(yùn)行異常出現(xiàn)氣壓過(guò)高，設(shè)計(jì)預(yù)壓式呼吸器組件（帶有止回閥），當(dāng)內(nèi)部氣壓高于透氣帽設(shè)定值才開啟。

（2）封堵輸出軸氣壓平衡孔：對(duì)齒輪箱輸出軸的8 個(gè)氣壓平衡孔進(jìn)行手動(dòng)攻絲，安裝絲堵以封堵平衡孔（圖2）。

改造完成后，觀察一個(gè)循環(huán)周期，齒輪箱底部和上部無(wú)油霧冒出，期間未對(duì)齒輪箱進(jìn)行過(guò)補(bǔ)油。由此驗(yàn)證，該方案成熟可行。

4 結(jié)論

某電站齒輪箱油霧產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，與潤(rùn)滑油、溫度、壓力、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，其油霧的揮發(fā)是一個(gè)癥結(jié)性的難題。在其結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，選用100#黏度潤(rùn)滑油無(wú)法阻止油霧形成，所以只能采用封堵和增加沿程阻力的方式，將油霧封閉在齒輪箱內(nèi)部，利用齒輪箱內(nèi)部箱體自動(dòng)平衡氣壓波動(dòng)。同時(shí)，使揮發(fā)的油霧凝結(jié)，減少潤(rùn)滑油的外泄損耗。

最終方案的成功實(shí)施，解決了齒輪箱油霧揮發(fā)問(wèn)題，減少了刺激性氣體對(duì)電站運(yùn)維人員的身體傷害，同時(shí)每年還可減少潤(rùn)滑油損耗約1.5 t，為電站節(jié)省成本近10 萬(wàn)元。

本文從齒輪箱可能產(chǎn)生油霧的各個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，同時(shí)采用方法進(jìn)行驗(yàn)證，最終提出了成功的改造方案。其分析方法和解決思路對(duì)同類設(shè)備問(wèn)題具有借鑒意義。