核电站屏蔽主泵推力轴承运行与维护探讨

摘要：水石墨推力轴承是第三代核电站屏蔽主泵的重要部件，同时也是易损部件，目前还没有针对该部件的运行和维护说明。文章基于屏蔽主泵推力轴承结构特点和运行工况，对各种运行条件下的影响因素进行了分析，提出了运行注意事项和维护项目。

关键词：核电站；屏蔽主泵；水；推力轴承；液膜 文献标识码：A

中图分类号：TM30 文章编号：1009-2374（2015）13-0137-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.13.069

国内在建的由美国西屋公司设计的第三代核电站项目首次采用大型立式屏蔽泵作为压水堆核电站主冷却剂泵，其也是全球工业迄今为止最大的屏蔽泵，该泵尚未投入运行（下文简称“屏蔽主泵”）。屏蔽泵作为一种无泄漏密封泵，多应用于化工及医药行业输送有毒有害液体、舰船及试验用小型核反应堆，但相较之核电站屏蔽主泵性能参数要小很多。

屏蔽主泵的推力轴承设置在泵体内部，与输送介质直接接触，并通过介质。与常规的油推力轴承相比，立式屏蔽泵推力轴承不需要配套的油系统提供支持，并消除了油带来的火灾风险、减小了整泵的空间需求。

屏蔽主泵无泄漏和低火灾风险的特点提升了核电站的安全系数，然而相当性能参数条件下，由于设备内部空间的制约和剂黏度低等因素，给屏蔽主泵推力轴承的设计和制造增加了难度，同时也对运行和维护提出了更高的要求。本文立足屏蔽主泵推力轴承的设计特点，探讨该泵推力轴承运行的关注点以及维护的要点。

1 屏蔽主泵推力轴承的结构和原理

屏蔽主泵共有三个轴承，两个径向轴承和一个推力轴承，都在电机一侧，轴承采用水方式。径向轴承为圆柱形滑动轴承，主要用于平衡由水力、电磁等产生的径向不平衡力；屏蔽主泵推力轴承较之径向轴承结构要复杂得多，主要用于平衡由水力部件和转子自重所产生的轴向力。

屏蔽主泵推力轴承为双向推力轴承，推力轴承的推力盘与下部飞轮组合成一体，推力轴承上下两侧的推力瓦组件结构相同，均由六个推力瓦、六个正向平衡板、六个反向平衡板、基础环和销钉、弹簧、螺钉等部件组成。屏蔽主泵启动时，随着推力盘转动速度的提升，推力盘与推力瓦之间快速形成水膜，两者之间的摩擦由干燥摩擦转变为液态摩擦（即通过液膜接触）。正常运行时，轴向载荷通过推力盘依次传递到轴瓦、平衡板、基础环。每个推力瓦的正下方是正向平衡板，轴瓦与平衡板之间通过球面相接触，六个正向平衡板和六个反向平衡板错位布置、首尾相搭接，相互传递力矩，使各轴瓦所承受的载荷趋于平衡。

图1 屏蔽主泵推力轴承结构示意图

推力轴承的上、下推力盘热装在下部飞轮两侧的泵轴上，推力盘母材为600合金材料，两面均有经热等静压工艺处理的司太立硬质合金层，以提高其耐磨性，进而减少推力瓦运行时对其造成的磨损。推力瓦表面为石墨材料，依靠侧夹板固定在瓦托上，石墨本身分子结构决定了其具有一定的自性能和较小的摩擦系数。

2 屏蔽主泵推力轴承的运行分析

正常工况下，屏蔽主泵的运行可分为三个阶段：启动阶段、全速运行与停运阶段。当核电站意外失去厂用电源时，要求屏蔽主泵能够依靠“飞轮”的惯性可靠地惰转足够长时间。当单台屏蔽主泵停运时，设计上允许该泵在系统介质作用下反向旋转。下文对核电站系统和设备运行过程中影响推力轴承稳定可靠运行的几个因素进行分析。

2.1 转速

如由文献推导所得，影响推力轴承形成稳定的动压液膜（推力盘与推力瓦之间由干燥摩擦转变为液态摩擦）的主要条件包括：推力盘与推力瓦的几何结构、两者之间形成楔形的间隙、并从楔形间隙较大的一侧向较小的一侧的形成相对运动速度V，剂的黏度。当屏蔽主泵制造完成后，除转动速度V和剂黏度，其他条件固定不变，V和与液膜厚度成正比。正常启动至稳定运行过程中，剂黏度因温度升高而减小，但其对液膜影响的贡献远小于转动速度。

2.1.1 低速运行。屏蔽主泵在正常启停、惰转和反转过程中都会有一段时间处于低速运行，伴随着液膜建立或消失过程，推力轴承推力盘和推力瓦之间经历“干燥摩擦-边界摩擦-液态摩擦”或相反的作用过程。

干燥摩擦状态的摩擦是遵守库仑法则的，也就是说摩擦力F与垂直载荷P成正比，用公式表示为：

式中：

――摩擦系数

边界摩擦状态下，固体表面虽吸附有分子膜（一般厚度为10-6mm），但是这种吸附层没有液体流动，因此它也大致遵守库仑摩擦法则。

屏蔽主泵“倒挂”于蒸汽发生器下部的泵壳上，和常规“正立”布置的主泵恰好相反；屏蔽主泵的转动部件全部位于工艺系统压力边界之内，不承受系统压力载荷。由图2可知，屏蔽主泵在运行时承载力为转动部件重力G与运输介质反作用力F之差。正常启动时，随着转速的增加，作用力F逐渐变大，推力轴承承载力减小，有利于初期液膜的建立，也减小了这一阶段的摩擦力F。但长期处于这一阶段，接触面的摩擦损耗将增加，产生的热量也将增加，推力轴承的运行环境逐步发生不同程度的恶化，甚至可能发生损坏。某核电站相似设计的推力轴承在主泵惰转时发生了烧瓦事故。

屏蔽主泵设有一个安全相关的转速探测器以监测主泵转速，其输入信号可以产生转速低报警，也可产生主泵转速低停堆信号。

图2 屏蔽主泵转子轴向受力示意图

2.1.2 高速运行。当推力轴承达到一定转速，推力盘和推力瓦之间形成足够厚度的稳定液膜，完全不存在固体表面直接接触。一般说来磨损低，磨耗近于0。这种液膜的厚度取决于摩擦面的几何形状、摩擦条件和流体的粘度等，即流体力学，因为这种摩擦是符合牛顿黏性摩擦规律的。用数学公式表达为：

式中：

――单位面积上的切向力（剪力）

――沿垂直于摩擦面方向的速度梯度

而摩擦力。

在启、停阶段，根据系统运行的要求，屏蔽主泵需要在系统运行参数达到相应值后才能逐步升至全速运行。为了避免主泵在其共振频率附近长时间运行，主泵转速设定值只能在确定的若干离散数值中直接选取，用于系统不同工况的运行需求，例如提供稳压器喷淋等。

低速运行时，推力盘和推力瓦之间的剂处于层流状态；随着转速进一步增加，部分剂流动雷诺数超过2300～2800时，剂层流就不可能存在了，一旦有小扰动，扰动会增长而转变成湍流。尤其在推力瓦与推力瓦之间的“沟壑”内，湍流可能形成交变压力场和周期振动等水力环境，在交变应力或共振作用下，刚度不足的部件可能在应力集中区域出现疲劳失效。某推力轴承试验过程中曾出现过部件疲劳断裂的情况。

屏蔽主泵设有若干个振动测量装置，用来连续监测泵的振动。振动数值可被实时远程读取，当振动超阈值时提供报警。

2.2 温度

推力轴承的运行温度影响因素有：推力盘和推力瓦之间的干燥摩擦和液态摩擦产生热量，电机工作产生热量，系统介质传导热量，屏蔽主泵外置热交换器带走热量。正常工况下，外置热交换器能够带走足够的热量，保证推力轴承在合适的温度下工作。

外置热交换器为普通管壳式热交换器，热量由电站设备冷却水系统带走，工作效率主要影响因素包括：（1）冷却水温度和流量，设备冷却水系统正常运行即可满足；（2）被冷却介质的流动速度，在屏蔽主泵转子的电机一侧设置有辅助叶轮，泵轴转动时，提供屏蔽主泵腔体和外置热交换器间介质流动动力，也即泵转速越高，冷却效果越好。外置热交换器的可靠运行是推力轴承正常工作的必要前提。

图3 损坏的石墨推力瓦

当推力轴承温度意外升高，剂的黏度会降低，液膜支撑力下降；如果温度升至剂的汽化温度，将无法形成液膜（汽化温度与压力有关，屏蔽主泵的轴承剂压力与系统压力相同）；没有液膜，摩擦系数更大，摩擦发热更严重，摩擦面温度急剧上升，然后摩擦磨损更严重，这一恶性循环将导致推力瓦在很短的时间内破坏，高温可能造成材料黏结剥落，热应力冲击可能造成变形、断裂等。因此需要注意主泵启动时的系统压力，减少轴承剂汽化的可能性；反之，即需要在主系统压力降低到一定程度时，自动触发停泵，以免由于压力降低产生汽化。如图3所示，某核电站相似设计的推力轴承的石墨瓦由于热应力冲击开裂。

屏蔽主泵装有若干台冗余的安全相关温度探测器来监测主泵轴承冷却水出口温度。这些探测器输入信号可产生停运屏蔽主泵的轴承冷却水出口温度高信号，同时温度数据可实时远程显示和生成报警。

2.3 水质

推力轴承的稳定运行和推力盘/推力瓦的材料表面状况有关。液膜的计算厚度相同情况下，表面粗糙度越大，液膜的实际有效厚度也就越小。当其已经超过当前转速下的水膜计算厚度，则很可能发生干燥摩擦，致使推力轴承运行条件恶化，甚至使推力瓦损伤。

由于推力盘采用了耐磨材料，一般情况下，表面粗糙度的增加主要由推力瓦的磨损造成，磨损的原因主要包括两个方面：（1）推力瓦与推力盘的摩擦，主要发生在低转速工况下；（2）剂中存在固体颗粒。

剂中存在固体颗粒的来源考虑有三个方面：（1）剂来源于主系统冷却剂（硼溶液），主系统冷却剂中的杂质；（2）推力瓦摩擦时掉落的石墨颗粒；（3）硼溶液结晶，通过控制启泵时轴承水温可以避免。冷却剂水质可以在核电站停堆后进行取样分析，判断水质是否合格以及推力瓦的磨损情况是否可以接受。

一般来说，在推力瓦的磨损过程中，表面粗糙度总是增大的，推力瓦的表面粗糙度超过安全值时，就会发生破坏。由上文可知，推力瓦的使用寿命不能单纯用运行时间来衡量，还应该考虑泵的启停次数和水质对表面粗糙度的影响。当推力瓦的表面粗糙度超过安全值时，应立刻更换瓦块，这样才能保证屏蔽主泵的运行安全。

国内某单位试验台架上的屏蔽泵曾因轴承水水质较差导致上部和下部径向轴承石墨瓦均出现较为严重的磨损，与石墨瓦配合的轴套也出现了不同程度的磨损。

小结：（1）电站应尽量减少屏蔽主泵的启停次数；（2）电站应尽量缩短屏蔽主泵低转速运行时间；（3）电站应保证主泵外置冷却系统的可靠运行；（4）电站应重视转速、温度、振动监测数据，在信号触发停泵前判断异常情况并提前分析处理，可降低对系统和设备的不利影响；（5）电站应在停堆后对屏蔽主泵腔体内的水质取样分析，建议在后续改进设计时考虑运行期间取样的可能性；（6）电站在主系统及与主系统直接或间接连接系统检修过程中，严格注意防异物管理；（7）电站主系统充排水流程需考虑尽量避免由于充排水操作造成可能的杂质在主泵内积聚。

3 屏蔽主泵推力轴承的维护探讨

通过对屏蔽主泵推力轴承运行影响因素的分析可知，推力轴承在正常运行过程中主要存在以下损耗：（1）长期运行及多次启停操作，导致石墨推力瓦磨损、表面粗糙度降低；（2）长期运行，流致振动导致强度较低的部件应力集中区域疲劳，导致紧固件位移或松脱；（3）长期运行，推力盘表面、载荷平衡部件接触面磨损。

如果运行和维护不当，推力轴承在异常瞬态或事故条件下可能存在以下损伤：（1）石墨推力瓦严重磨损、划伤、块状剥落、开裂等；（2）推力瓦侧夹板变形、断裂；（3）推力瓦脱离瓦托和侧夹板；（4）载荷平衡部件接触面严重磨损；（5）推力盘磨损、开裂、热变形。因此，必须重视屏蔽主泵推力轴承的维护、检修。建议核电站在日常和大修阶段采用以下策略和方案：（1）日常维护：设备管理工程师、维修工程师对屏蔽主泵温度、振动等所有测量数据定期进行趋势分析，为电站运行和大修计划提供依据；准备足够的备件。化学工程师定期对主系统尤其主泵内部冷却循环水的水质进行分析，重点关注水质中金属与碳的含量。（2）解体检修：建议按照电站运行时间、启停次数、惰转等瞬态次数以及日常监测的数据，确定是否在大修时对推力轴承进行解体检查，推力轴承检测的项目至少包括：检查石墨推力瓦表面粗糙度、平面度以及是否有划痕、裂纹等缺陷；检查石墨推力瓦与瓦托、侧夹板之间的配合是否紧密；检查侧夹板的内外部缺陷（无损检测）；检测所有载荷平衡部件接触面的磨损情况；检查销钉、螺钉等紧固件是否松脱；检查预紧弹簧是否变形；检查推力盘表面粗糙度、平面度以及是否有划痕、裂纹等缺陷。对检查不合格的部件进行修复（如整体研磨）或更换。检修过程必须保证屏蔽主泵腔体内部的清洁度。

4 结语

本文对核电站屏蔽主泵推力轴承运行与维护进行了简要的分析和探讨，提出的剂取样和部件维护策略等建议供该设备在国内的设计、制造和运行进行参考。由于大型屏蔽主泵在核电工业领域尚属首次运用，没有长时间的运转经验，且承担了核电站安全功能，无论制造厂给出的运行与维护说明是什么样的，运行电站都必须持审慎的态度，充分理解和保守决策，并在实际运行和维护中总结和分享经验。为确保屏蔽主泵推力轴承故障情况下的快速响应，也建议核电厂尽早开展推力轴承更换等维修准备工作，从而减少屏蔽主泵故障对核电厂造成的经济性影响。

参考文献

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作者简介：金飞（1983-），男，江苏南通人，供职于三门核电有限公司，研究方向：核电维修。