劉朝 劉星 王儀美 魏松林

（1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430032；2.福建福清核電有限公司 福建福清350300）

某核電大修期間，對(duì)電動(dòng)主給水泵液力耦合器解體檢查，發(fā)現(xiàn)耦合器內(nèi)的工作∕潤(rùn)滑油泵太陽(yáng)輪的上部襯套端部出現(xiàn)點(diǎn)坑，對(duì)缺陷襯套開(kāi)展失效分析，研究點(diǎn)坑產(chǎn)生的機(jī)理。

1 概述

潤(rùn)滑∕工作油泵泵頭剖面圖如圖1 所示，該泵由一個(gè)離心泵和一個(gè)行星齒輪泵組成。當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，下方的離心泵為液力耦合器提供工作油，上方的齒輪泵向給水泵組的徑向軸承、推力軸承等提供潤(rùn)滑油，點(diǎn)坑出現(xiàn)在太陽(yáng)輪上部襯套的下端面上。

圖1 油泵泵頭剖面圖

圖2 為齒輪油泵太陽(yáng)輪上部襯套端面圖，為便于描述，將襯套端部3個(gè)約3mm的凸起定義為“擋油板”，并將“擋油板”前方（與太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)方向相反）且與行星輪上部軸承油孔相通的區(qū)域定義為“前油腔”，“擋油板”后方區(qū)域?yàn)椤昂笥颓弧薄?rùn)滑油從太陽(yáng)輪軸與襯套內(nèi)表面的圓周間隙中進(jìn)入襯套下端面和太陽(yáng)輪端面間隙，潤(rùn)滑油一方面沿著圓周方向流動(dòng)，另一方面在離心力的作用下向外流動(dòng)進(jìn)入“前油腔”中，在前油腔中，速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，并通過(guò)油孔進(jìn)入3 個(gè)行星輪的上部軸承中，為軸承提供潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油路徑見(jiàn)圖1 和圖2中箭頭所示。

圖2 齒輪泵襯套及行星輪軸承端面

2 失效形貌

圖3為太陽(yáng)輪襯套下端面，襯套端面共出現(xiàn)了3個(gè)點(diǎn)坑，點(diǎn)坑的大小深度不一，均勻分布在端面的圓周方向上，由此可知，太陽(yáng)輪齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，端面與襯套發(fā)生了碰磨，但碰磨程度較輕微，根據(jù)磨痕的外輪廓也可以推斷出，太陽(yáng)輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與襯套不同軸。

圖3 襯套端部點(diǎn)坑分布

襯套上3 個(gè)腐蝕坑形貌特征如圖4 所示。可以看到點(diǎn)坑a坑面凹凸不平，整體呈密集蜂窩狀，有針孔及麻點(diǎn)樣孔洞；點(diǎn)坑b 有一規(guī)則圓深坑，周邊與點(diǎn)坑a 一樣，呈海綿狀形貌；點(diǎn)坑c尺寸比點(diǎn)坑b大，且呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。同時(shí)，可以觀察到點(diǎn)坑b和c蝕坑周圍有輕微氧化生銹跡象。

圖4 點(diǎn)坑體視形貌

3 測(cè)試分析

3.1 金相檢驗(yàn)

圖5是3個(gè)點(diǎn)坑區(qū)域的縱向金相組織。結(jié)果顯示，襯套縱向組織不均勻，襯套厚度約為10mm，內(nèi)側(cè)3mm左右組織為“珠光體+少量磷共晶”，外側(cè)7mm 厚的組織為“鐵素體+少量珠光體”。點(diǎn)坑a 的坑底深度約為0.8mm，距襯套內(nèi)壁5mm；點(diǎn)坑b 的坑底深度約為1.2mm，距襯套內(nèi)壁3mm；點(diǎn)坑c的坑底深度約1.8mm，距襯套內(nèi)壁2mm。

圖5 點(diǎn)坑處縱向金相組織

3.2 掃描電鏡觀察

圖6 為襯套端面3 個(gè)點(diǎn)坑內(nèi)部的掃描電鏡照片。由圖可知，3 個(gè)點(diǎn)坑空內(nèi)部表面凹凸不平，呈海綿狀，在點(diǎn)坑內(nèi)部均觀察到裂紋和破裂的石墨片層。點(diǎn)坑a底部未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積，點(diǎn)坑b和c局部有針眼狀腐蝕微坑，點(diǎn)坑c處腐蝕程度最嚴(yán)重。采用EDS能譜儀，對(duì)腐蝕坑表面產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，腐蝕坑洞表面主要成分為鐵的氧化物，未見(jiàn)硫、氯等有害離子。

圖6 點(diǎn)坑微觀特征形貌

點(diǎn)坑及坑底的形貌具有明顯的汽蝕特征，這是由于間隙內(nèi)的汽泡流動(dòng)到高壓區(qū)域后，汽泡潰滅而對(duì)金屬反復(fù)基體沖擊，金屬不斷從基體上脫落形成的，并在金屬表面形成蜂窩狀的麻點(diǎn)坑群［1-2］。有研究［3-4］針對(duì)金屬材料開(kāi)展汽蝕試驗(yàn)，研究了汽蝕產(chǎn)生的規(guī)律，其中，均使用掃描電鏡拍攝到不同材料不同階段的汽蝕形貌照片，與襯套表面的汽蝕形貌較為一致。

4 數(shù)值模擬

汽蝕是由于壓力的變化而導(dǎo)致的流體內(nèi)部空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅過(guò)程，以及由此而產(chǎn)生的一系列物理和化學(xué)變化［5-6］。目前，對(duì)汽蝕的數(shù)值模擬主要還是集中在對(duì)汽化的發(fā)生上，許多研究［7-9］均使用數(shù)值模擬軟件對(duì)流體介質(zhì)的汽化進(jìn)行模擬，對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部的空化均進(jìn)行了很好的預(yù)測(cè)；也有研究［7-8］使用全空化模型進(jìn)行模擬，考慮了流體介質(zhì)本身汽化形成的汽泡和液體中不溶氣體析出形成的汽泡。另外，也有研究［9］求解了不同輸送液體在離心泵內(nèi)的空化情況，其中，油3的性質(zhì)與本行星齒輪油泵用油物理性能較為類似，其運(yùn)動(dòng)粘度60.70mm2∕s、飽和汽化壓力為1Pa、不溶氣體含量為8%以上，而常溫下水的物理參數(shù)，其運(yùn)動(dòng)粘度1.0087mm2∕s、飽和汽化壓力為2367.8Pa、不溶氣體含量約為2%～3%，對(duì)比可知，相對(duì)于水，油的飽和汽化壓力小，不溶氣體含量高，更容易汽化，有文獻(xiàn)［10-11］對(duì)間隙內(nèi)部潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。對(duì)于襯套間隙內(nèi)部的流動(dòng)，其進(jìn)出口的邊界條件無(wú)法準(zhǔn)確獲得，本文中將僅計(jì)算間隙內(nèi)潤(rùn)滑油的流動(dòng)，通過(guò)分析間隙內(nèi)壓力變化來(lái)判斷汽化發(fā)生的可能性。

4.1 幾何模型及網(wǎng)格

太陽(yáng)輪齒輪（轉(zhuǎn)動(dòng)）端部和襯套（靜止）端部形成的間隙內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜，計(jì)算該間隙區(qū)域的真實(shí)流動(dòng)情況較為困難，需要對(duì)間隙的幾何進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，僅考慮太陽(yáng)輪齒輪端面對(duì)間隙流動(dòng)的影響，將太陽(yáng)輪齒輪端面簡(jiǎn)化成一個(gè)和襯套端面同樣尺寸的圓盤(pán)，圖7為襯套幾何模型和間隙流場(chǎng)模型。

圖7 襯套幾何模型和間隙流場(chǎng)模型

在運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)輪襯套端面和太陽(yáng)輪齒輪端面發(fā)生了輕微碰磨，兩端面的間隙值大于等于0mm，本次數(shù)值模擬假設(shè)間隙值分別為0.2mm、0.6mm、1mm，且兩端面平行。

間隙流場(chǎng)網(wǎng)格選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，在太陽(yáng)輪端面和襯套端面的間隙網(wǎng)格加密處理，不同間隙模型的網(wǎng)格數(shù)量最終控制400～500W之間。

4.2 工況及邊界條件

使用數(shù)值模擬軟件求解間隙中的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，選用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行求解。流體介質(zhì)設(shè)定密度為860kg∕m3，40℃的運(yùn)動(dòng)粘度為46mm2∕s，設(shè)置進(jìn)口邊界為流量進(jìn)口，出口為壓力邊界。太陽(yáng)輪端面和太陽(yáng)輪軸設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面，轉(zhuǎn)速為3000r∕min，其余為固定壁面。假定3個(gè)行星輪上部軸承所需的潤(rùn)滑油均來(lái)自于該間隙，估算3 個(gè)滑動(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑油流量為1.5L∕min，換算成進(jìn)口速度約為0.25m∕s，求解時(shí)，計(jì)算進(jìn)口速度為0.5m∕s和1m∕s的工況。

4.3 計(jì)算結(jié)果

圖8是不同間隙尺寸和進(jìn)口速度下襯套端面上的壓力云圖，從圖中可以看出，不同間隙和進(jìn)口速度下，襯套表面的壓力均呈周期性分布，潤(rùn)滑油隨著太陽(yáng)輪端面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)輪襯套端面和太陽(yáng)輪齒輪端面之間的間隙截面周期性變化。

圖8 不同工況下間隙表面壓力云圖

對(duì)比進(jìn)口速度0.5m∕s、不同的間隙下襯套表面壓力云圖可知，間隙越大，襯套表面的壓力分布越均勻。對(duì)比間隙為0.2mm、不同進(jìn)口速度下間隙襯套表面的壓力云圖可知，入口速度越大，襯套表面的壓力分布越不均勻。

間隙尺寸越小、進(jìn)口速度越大越容易在襯套上形成周期性變化的流場(chǎng)，襯套上的間隙尺寸對(duì)斷面上潤(rùn)滑油的流動(dòng)有決定性作用，而根據(jù)在襯套表面上的磨痕可知，這個(gè)間隙很小幾乎為零，實(shí)際的間隙內(nèi)的壓力變化比數(shù)值模擬的值會(huì)更大。

圖9 為間隙尺寸0.2mm、速度0.5m∕s 工況下，襯套端部半徑分別為18mm、19.5mm和21mm時(shí)的襯套表面圓周方向壓力分布（3 個(gè)汽蝕坑中心18mm、19mm 和21mm）。從圖中可以看出，3個(gè)圓周方向上的壓力分布規(guī)律一致，呈周期性變化，半徑越小，襯套端面周向上的壓力變化值越大，曲線越陡峭。圖中壓力曲線的最高峰處與汽蝕坑的位置吻合，次峰對(duì)應(yīng)的是“擋油板”的位置。

圖9 不同半徑圓周方向壓力對(duì)比圖

5 結(jié)果與討論

5.1 原因分析

數(shù)值模擬的結(jié)果表明，間隙內(nèi)部圓周方向出現(xiàn)了周期性壓力變化，這種特性會(huì)導(dǎo)致汽化或者空化的發(fā)生，最終產(chǎn)生汽蝕。將間隙在圓周方向上展開(kāi)如圖10所示，太陽(yáng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，帶動(dòng)潤(rùn)滑油在間隙內(nèi)部周向運(yùn)行，當(dāng)潤(rùn)滑油從小間隙流入“前油腔”“擋油板”“后油腔”（對(duì)應(yīng)圖10中的汽泡區(qū)），流動(dòng)變得紊亂，在這一區(qū)域會(huì)產(chǎn)生汽泡，這些汽泡可能是潤(rùn)滑油汽化或者潤(rùn)滑油中的不溶氣體析出形成的，這些汽泡隨著潤(rùn)滑油在圓周方向運(yùn)動(dòng)，又進(jìn)入小間隙較區(qū)域（對(duì)應(yīng)圖10 中的潰滅區(qū)），在這一區(qū)域，潤(rùn)滑油的壓力快速變大再變小，根據(jù)圖9可知，潰滅區(qū)中間為高壓力區(qū)，當(dāng)汽泡隨著潤(rùn)滑油快速流向高壓區(qū)域時(shí)，汽泡破裂，沖擊太陽(yáng)輪襯套端面。

圖10 間隙圓周方向示意圖

從襯套的材質(zhì)上進(jìn)行分析，襯套材質(zhì)為鑄鐵，這種材質(zhì)本身耐汽蝕性能不高，除此之外，其內(nèi)外壁金相組織有明顯差異，汽蝕發(fā)生位置與金相組織異常區(qū)域重合，這些都促進(jìn)太陽(yáng)輪襯套端面發(fā)生汽蝕。

間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致襯套發(fā)生汽蝕外，還可能會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油流量變小，造成3個(gè)行星輪軸承的潤(rùn)滑油不足，潤(rùn)滑不良。在對(duì)行星輪軸承內(nèi)表面的觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)行星輪軸承內(nèi)表面鍍層Sn 基合金高溫軟化延展變形到油腔里。

5.2 改進(jìn)與建議

該襯套的主要作用是和3個(gè)行星輪軸承組合形成一個(gè)潤(rùn)滑油供油通路，不受力或者受力較小，短期內(nèi)這種汽蝕對(duì)行星齒輪油泵運(yùn)行影響不大，但是襯套一旦損壞，將影響工作油和潤(rùn)滑油的供應(yīng)，對(duì)整個(gè)給水泵的安全運(yùn)行有影響，建議如下。

（1）該工作∕潤(rùn)滑泵裝配及襯套設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮襯套的端面和太陽(yáng)輪齒輪端面的間隙，避免或者緩解汽化。另外，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，只保留“前油腔”，使得“潰滅區(qū)”的面積更大，壓力分布更加平緩，從一定程度上緩解汽化。

（2）如果不能避免汽化的發(fā)生，則可以采取表面鍍層、強(qiáng)化或者更換耐汽蝕材料的方式來(lái)緩解或者避免汽蝕。該襯套尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以直接選用耐汽蝕腐蝕的材料替代。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，主給水泵液力耦合器中的行星齒輪油泵太陽(yáng)輪襯套端面出現(xiàn)的點(diǎn)坑失效機(jī)理為汽蝕，太陽(yáng)輪端面與襯套端面的間隙尺寸、襯套表面的形狀以及襯套材料組織不均勻共同作用下，導(dǎo)致襯套表面特定的位置發(fā)生了汽蝕點(diǎn)坑。建議后續(xù)將對(duì)間隙進(jìn)行調(diào)整或者通過(guò)更換材料來(lái)避免或者緩解汽蝕。