賀湘江，車銀輝，陳 強，祖 帥

（1.廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538000；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

主給水系統(tǒng)是核電廠二回路的重要系統(tǒng)，承擔著向蒸汽發(fā)生器提供升壓加熱后的給水重要功能[1]。電動主給水泵組由前置泵、壓力級泵、電機和液力耦合器組成，是主給水系統(tǒng)的核心設備，對核電廠運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性有著重要影響[2]。近幾年某核電廠給水泵液力耦合器多次發(fā)生齒輪損傷問題，因此有必要對其原因進行深入分析，開發(fā)早期缺陷的無損檢測技術，消除液力耦合器齒輪服役缺陷，為給水泵的安全穩(wěn)定運行提供技術保障。

1 液力耦合器結構

某核電廠使用的液力耦合器為德國VOITH（福伊特）公司生產(chǎn)的RKM 型齒輪式變速耦合器[3]，主要由增速齒輪副、傳遞力矩的泵輪和渦輪及控制系統(tǒng)組成（圖1）。該型耦合器的輸入軸與電機軸相連，通過齒輪傳動比將低轉速變?yōu)楦咿D速，帶動耦合器泵輪旋轉，泵輪通過工作液體能傳遞給渦輪葉片，渦輪再將吸收的液體能傳遞給壓力級泵。液力耦合器通過勺管調(diào)節(jié)改變離心力大小并調(diào)節(jié)渦輪轉速，即改變給水泵的轉速。液力耦合器齒輪為雙齒嚙合，采用斜齒輪設計，齒輪材料為18CrNiMo7-6、表面采用滲碳淬硬層來提高硬度。

圖1 液力耦合器結構

2 增速齒輪輪齒損傷原因分析

RKM 型液力耦合器由于具有良好的軟啟動性、過載保護、功率平衡和無級調(diào)速等性能，被廣泛應用于核電廠給水泵組。隨著大量的RKM 型液力耦合器服役，已陸續(xù)發(fā)生了3 起液力耦合器增速齒輪損傷事件，嚴重影響到機組的安全運行。針對3 起液力耦合器齒輪損傷事件，首先從材料學方面明確齒輪損傷性質(zhì)，然后從設計、制造、安裝等方面開展系統(tǒng)分析，為全方面提高液力耦合器齒輪運維的可靠性奠定基礎。

2.1 增速齒輪材料剝落

核電廠一臺機組商運1.5 年后，給水泵液力耦合器第一次執(zhí)行年度檢查發(fā)現(xiàn)，增速齒輪中的小齒輪齒面發(fā)生材料剝落以及開裂缺陷（圖2）。經(jīng)目視檢查，部分齒輪發(fā)生變形現(xiàn)象，為剝落后的材料嵌入齒輪工作面造成的后果。通過材料成分、磁粉無損檢測、硬度檢測、微觀形貌觀察等分析，增速齒輪副只有一顆輪齒受損，受損的輪齒起源于齒根部位，源區(qū)附近有一條細的磨削燒傷線（圖3）。綜合分析認為，造成齒輪損傷的主要原因：磨削燒傷過熱，導致拉伸殘余應力增大，從而使齒輪服役中疲勞開裂。

圖2 增速齒輪齒面剝落形貌（小齒輪）

圖3 增速齒輪齒面剝落形貌（齒輪副）

2.2 增速齒輪斷齒

某臺機組給水泵液力耦合器已服役四年多，執(zhí)行第二次年度檢查發(fā)現(xiàn)，增速齒輪中的小齒輪1 顆輪齒斷裂缺失，其斷裂長度約占齒總長度的80%（圖4）。故障齒輪材料檢測分析結果表明，輪齒起源于齒根部位。通過斷面上的疲勞條帶，明確裂紋源位于滲碳層厚度附近。材料組織存在一定的孔洞及非金屬夾雜物，直徑為28.16 μm 圓形缺陷（圖5）。這些孔洞及非金屬夾雜物在齒輪服役的過程中會成為應力集中的區(qū)域，導致其受到的力明顯增大，在該齒輪不斷重復“嚙合—分離”的過程中，承受較大的循環(huán)應力，促進了故障齒的疲勞起裂。

圖4 第二起增速齒輪斷裂形貌

圖5 第二起斷裂輪齒金相組織夾雜

另一臺機組給水泵液力耦合器服役6 年后，執(zhí)行第四次年度檢查發(fā)現(xiàn)，增速齒輪副中的小齒輪1 顆輪齒斷裂，其斷裂長度約占齒總長度的50%（圖6）。根據(jù)故障齒輪檢測分析結果，斷裂輪齒源區(qū)位于齒根部位，其斷裂性質(zhì)為接觸疲勞。硬度檢測結果表明（圖7），齒輪的表面硬度（最大值803 HV）和硬化層深度（1.06～1.42 mm），不符合JB/T 13027—2017《重載齒輪滲碳熱處理技術要求》標準要求（硬度最大值為765 HV，硬化深度為1.30～1.80 mm）。硬度異常會導致齒輪的耐磨性能下降，對其接觸疲勞壽命有不利影響。

圖6 第三起增速齒輪斷裂形貌

圖7 斷裂輪齒滲碳硬化層測量深度

2.3 齒輪損傷共因分析

3 起液力耦合器損傷的齒輪均位于液力耦合器高速端，且裂紋源都位于齒輪根部位置。建立增速齒輪有限元分析模型，動態(tài)嚙合情況下的齒輪應力計算結果為675.36 MPa（圖8），小于材料的疲勞極限強度（987 MPa），服役疲勞壽命為71 740.12 d，可以排除設計結構存在先天不足的可能。為了評估微缺陷對齒輪疲勞壽命的影響，采用相場法建立齒輪有限元模型（圖9），施加工作載荷下高速齒輪上的不同微缺陷尺寸周期性疲勞擴展壽命（圖10）。宏觀裂紋長度為0.5 mm 時，高速齒輪剩余使用壽命仍可達到9.07×108次，即可使用126 d，同時增速齒輪副的安裝記錄和運行參數(shù)未見異常。綜合上述分析結果，增速齒輪存在制造質(zhì)量缺陷（齒面局部磨削燒傷、齒面滲碳層不足、材料組織微缺陷），易改變齒輪根部應力狀態(tài)，在多次應力交變循環(huán)后發(fā)生疲勞開裂。

圖8 高速齒動態(tài)應力分析結果

圖9 相場法裂紋擴展數(shù)值模型

圖10 宏觀裂紋擴展速率

3 預防檢測技術研究

齒輪現(xiàn)有的無損檢測技術為滲透檢測和磁粉檢測，均需要拆解液力耦合器增速齒輪箱，對單個齒輪進行檢測[4]。這將導致減速箱的拆解安裝工作量大，影響大修工期。為此，電廠針對性開發(fā)出適用于現(xiàn)場齒輪檢測的陣列渦流檢測技術，在齒輪箱不解體情況下可清晰分辨出齒輪齒根應力集中區(qū)域的表面缺陷（深0.02 mm、寬0.12 mm）。上述3 種無損檢測技術只適用于服役中齒輪表面已擴展一定長度（大于0.1 mm）的裂紋，現(xiàn)場應用之后依舊發(fā)生第三起齒輪斷齒損傷事件。

根據(jù)增速齒輪損傷共因分析結果，利用“巴克豪森噪聲”檢測技術（磁彈法）[5]，定制開發(fā)斜齒輪專用的檢測面掃探頭（圖11）。即利用齒輪鐵磁性材料的磁學性能反應材料的內(nèi)部微觀組織的變化，如燒傷[6]、硬度分布和應力場，通過磁矩的轉動而產(chǎn)生力躍變信號，類似于示波器之類（圖12）。巴克豪森信號與硬度成反比、與拉應力成正比，以實現(xiàn)以下兩種管控目標：

圖11 “巴克豪森噪聲”檢測技術示意

圖12 巴克豪森噪聲信號示意

（1）齒輪服役前，備件齒輪質(zhì)量的管控：利用該檢測技術，通過燒傷、應力、硬度等實驗，可以統(tǒng)計出相應的巴克豪森信號數(shù)值或范圍，從源頭控制備件齒輪入庫質(zhì)量、增強齒輪抗疲勞強度。

（2）齒輪服役中檢測，提前預知疲勞斷裂：齒輪服役前已根據(jù)設定的巴克豪森數(shù)值標準驗收，但是隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，齒輪表面一旦出現(xiàn)燒傷、軟點或殘余拉應力，定期對服役中的齒輪進行巴克豪森無損檢測能提前發(fā)現(xiàn)，從而及時更換缺陷齒輪。

4 結束語

隨著大量的RKM 型液力耦合器服役，液力耦合器齒輪頻繁由于制造缺陷出現(xiàn)損傷問題，現(xiàn)場缺乏齒輪表面狀態(tài)高精度無損檢測工具。根據(jù)液力耦合器增速齒輪損傷共因分析結果，輪齒損傷與磨削燒傷、硬度、應力等密切相關，提出利用“巴克豪森噪聲”檢測技術優(yōu)點，可以精準反映輪齒表面的磨削燒傷、硬度分析及殘余應力分布情況，實現(xiàn)一器多用，為消除液力耦合器齒輪制造缺陷引發(fā)的損壞風險提供借鑒。