核电用汽动泵轴承超速工况影响下寿命研究

核电用汽动泵轴承超速工况影响下寿命研究

陈含

350322199612105117，海南 三亚572000

摘要：国内核电站汽动辅助给水泵大多采用ＴＷＬ45Ｓ型两级卧式离心泵，作为核电站专设安全设施之一，在机组丧失主给水时，作为正常给水的备用，向蒸汽发生器二次侧提供足够流量的给水，导出堆芯余热，事故工况下保障核电厂的安全停堆。该汽动辅助给水泵每个燃料循环需要进行超速保护试验，以验证超速保护功能。机组大修期间发现该泵的滑动轴承多次发生涂层剥落、磨损等问题，这与滑动轴承的选型、维护更换周期、超速试验方式等都有必然的联系。基于此，对核电用汽动泵轴承超速工况影响下寿命进行研究，以供参考。

关键词：核电站用泵；汽动泵；轴承；使用寿命

引言

辅助供水系统(ASG)在核电站的安全稳定运行中发挥着重要作用。ASG蒸汽泵试验作为核电站高风险活动之一,检查ASG蒸汽泵是否存在,以保证ASG蒸汽泵在转速超过正常工作范围时能够自动关闭和停止,防止蒸汽泵和泵出口管道过压。在试验中,蒸汽泵锤偏差的现象会导致泵组移动速度超速的风险,本文分析了产生这种问题的原因并进行了改进。

1背景介绍

核电站汽动辅助给水泵多为ＴＷＬ45Ｓ型两级卧式离心泵，由单级冲动式汽轮机驱动，汽轮机与泵同轴，并由两个水润滑径向滑动轴承支承。该轴承为“聚四氟乙烯＋烧结铜合金＋钢基”材料组合而成。同时，泵组属于卧式布置，其转子质量小，汽轮机全周进汽对轴承无支反力。另外，在核电站事故工况时，要求任何冷却水源都可以作为润滑介质，因此，要求该水润滑轴承对泥沙等不敏感。根据核电站现场反馈，ＡＳＧ汽动辅助给水泵轴承的故障率偏高，是汽动辅助给水泵故障的主要原因之一，主要故障模式为轴承磨损、内涂层脱落等。为了核电机组更加安全、可靠地运行，汽动辅助给水泵轴承的可靠性提升是目前工作的重中之重。

2调速简介

(1)速度控制原理。蒸汽流量调节与辅助蒸汽泵供水的关系如下:泵启动后,供水泵的蒸汽涡轮形成相应的流量和压力辅助供水,从泵壳和Venturi泵出口管引出介质到差压调节器两端。通过它们与弹簧力之间的压力差,活塞在驱动差压调节器中上下运动,实现汽轮机调节阀的开启控制,控制蒸汽进口,最终实现转速的自动调节。当泵启动时,由于弹簧的作用力,调节阀处于全开状态,泵以最大功率加速。当泵设定流量时,泵体内的压力首先升高,活塞克服弹簧向下的力,用杠杆首先关闭一个小调节阀,以避免进一步提高转速。然后开始在泵出口处设定压力,在温丘里管道内的压力升高后,形成向上的反向推力,补偿从泵出口推到活塞上方的部分推力,以免调节阀关闭太小。另外,调节阀的阀芯由于上下体积的差异,本身有向下的推力,打开了调节阀。四种力通过杠杆相互作用。(2)超速的原理和方法。通过上述调速原理,可以通过改变相应的条件,破坏力系统的平衡来达到超速的目的,使调节阀的开启比正常情况下多。由于杠杆长度和活塞面积、阀杆截面积都是恒定的,因此仍有四个条件可以改变:一是活塞顶部压力下降,即活塞顶部和底部压力差的变化△P;其次,增加PS的进气压力,增加输入功率;第三,增加弹簧的稳定性;第四,向外施加额外的力,打开调节阀。另一种方法是根据原动力系统的平衡来改变工作条件,以减轻泵的负荷,使泵轴的输入功率远大于车轮的输出功率,此时转子加速以达到超过转子速度。

3系统及设备简介

ASG核电站是专门的核安全设施之一,配备两台电动辅助供水泵和两台蒸汽辅助泵。其在安全方面的主要作用是,当主供水系统的任何环节发生故障时,ASG系统作为应急装置向蒸汽发生器的二次侧供水,去除反应堆堆芯残余热量,直至反应堆芯残余热系统(RRA)不允许启动,或在一定模式下,在主供水系统正常启停时,将水送入反应堆蒸汽发生器,排出反应堆芯残余热量,最终实现安全功能。ASG 蒸汽泵超速保护装置提供电磁超速保护和机械超速保护。机械超速保护由离心锤、角阀、截止机构等组成,速度确定范围9675~9850r/min,设定值由蒸汽泵超速检查,当蒸汽泵转速ASG大于载人锤螺母设定值时,载人锤在离心力的作用下从轴上弹出,冲击板、钢板脱落,阀门密封角面开启,破坏了蒸汽阀主心轴的平衡,后活塞蒸汽心通过侧向平衡向大气释放,主阀后部失去平衡。

4核电用汽动泵轴承超速工况影响下寿命研究

4.1诱导轮本身材料特性分析

以下是来自感应车轮本身的材料特性的分析。感应车轮尺寸分析:通过比较所更换的感应车轮与感应车轮备件的相应尺寸,叶片厚度、进出口位置角度、车轮边缘直径等关键尺寸数据一致。机械加工损坏:检查2ASG003PO工厂完工报告,发现工厂进行了PT无损检测,结果令人满意,表明蒸发区未发现机械损坏。化学成分分析:车轮感应材料为Stellite6合金,通过光谱化学成分分析,发现由蒸汽渗透引起的缺陷和新零部件的库存,结果表明,元素含量基本相同,与EOMR生产完成报告中的元素含量相比,也较低。硬度试验:在感应车轮入口端面、出口端面和靠近蒸汽侵蚀的端面上进行软硬度试验。结果表明,入口端面和出口端面之间的硬度差异很大。对EOMR(40HRC)与中国其他原子基地的硬度进行比较,表明2ASG003PO车轮入口端面及靠近蒸汽的硬度较低,低于Stellite6合金硬度标准值40~41HRC。当停机工作模式引起的高频冲击连续击中感应轮表面时,在低硬度区域出现一定的疲劳和塑性变形直至最终破裂。金属硬度是衡量金属材料性能的重要指标,可以理解为材料抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力,以及材料抗残余变形和抗破坏的能力。硬度是机械性能的综合指标,如材料的塑性、强度和粘度。材料的硬度主要与材料的化学成分、金相组织和热处理工艺有关,热处理过程可以改变材料内部的应力分布,金相组织和化学成分没有明显差异。

4.2加强汽泵油箱排油烟风机检查

严格、认真地执行公司规定的定期检查制度,每2小时仔细检查一次主要的辅助设备,发现异常情况并及时报告,联系维修人员。由于排烟风机的功率太小,功率为0.75千瓦,没有设置电流表,无法控制电流的变化,需要在现场加大,以检查排烟风机的风机转动情况。及时调整油箱顶部燃油滤清器的开启,使油箱保持负压100~300Pa,但不超过400Pa,以避免轴承箱内大量漏油,损坏油品质量。

4.3设计制造及安装调试

拆卸J5ASG004PO投入使用后发现,在密封锤头的密封接头处有两个180度的轴对称密封件,根据制造商的回复,密封件是壳体,添加了改性改性改性锤,即属于新产品。经询问数据并与厂家协商,旧型号和改型电机的制造工艺和性能如下:旧型号的制造工艺:零件加工、组装、安装O型密封圈进行临时密封和压紧,冲击试验台,如果试验数据不符合打磨头端面要求,取出临时O型密封圈、真空电子束焊头,重新进行冲击试验,以验证作用值是否符合,产品供货;改进的锤子制造工艺:零件加工,组装,安装O型密封圈进行密封和压实,冲击试验台,如果试验数据不符合要求,磨削端面以调节质量,直到试验不符合要求,完成,交付产品。两者制造的不同之处在于头部压实与形状不同,旧型号的飞锤直接焊接压实,而改进型飞锤则采用O型压实和拼接环。真空电子束焊接的优点在于密封可靠,使用寿命长,不使用电极,缺点在于焊接比例低,焊接工艺容易产生裂纹;O型环的优点在于生产工艺简单,操作性强,产品配套速度快,缺点在于O型环容易受到外界环境和安装条件的影响,导致其失效,而O型环对于橡胶制品来说,使用寿命短,环形连接需要技术人员的高技能,容易引起不持久的弱化现象。从零部件的制造工艺和厂家的分析和鉴定出发,改进后的锤子容易受到外界环境和安装条件的影响,从而导致其失效;从设备部件的重要性来看,锤子是设备的主要部件,工艺改进忽略了其密封性和产品的使用寿命。

4.4改变运行工况，减小负荷，进行超速(目前普遍采用的方式)

关闭小型进水阀,以减少进入泵的水量,并减少输送到车轮流体的能量。利用蒸汽泵的自动转速调节功能,保持蒸汽调节阀打开,在输入轴功率几乎不变的情况下,转子不断加速,最终达到超速。超速试验的蒸汽压力超过2MPa,这是克莱德制造商提供给用户的超速方法。有风险:关闭进气阀门,由于进水不足,车轮蒸汽侵蚀,叶片会损坏。如果操作不当,泵内部会出现水流失,可能导致转子轴向力不平衡和损坏。测试过程非常漫长,在关闭阀门前后近半小时,测试者必须承受很大的心理压力。调节阀的阀芯有根密封,如果阀芯由于密封过紧或润滑不良,会有一定的冻结、不灵活的作用,影响差压调节器的自动调节性能,不能及时跟随泵浦的变化进行实时自动调节。因此,可能导致泵入口阀门过度关闭,水量过少,增加了泵损坏的风险。存在的问题:超速前和超速后,必须反复隔离泵,对轴承进行外部供水,并拆除外部供水源,造成两种不可控事件,不利于保持较高的安全水平。通过上述分析,可以确定目前使用的最新超速方法不理想,存在严重的设备损坏风险和人为错误风险,需要优化现有的超速方案。

4.5转速传感器本体故障

该转速传感器基于霍尔效应原理,采用Allegro的A1220LUA-T芯片,每个芯片都配备了以下单晶片组件:电压调节器,霍尔电压发生器,微型信号放大器,稳定冲击,闪电触发器和短路保护极输出(最大充电电流25mA)。磁极S的强度足以打开一个出口。封闭输出需要具有足够强度的N磁极。这款霍尔效应传感器芯片具有极高的温度稳定性和耐电压性,特别适用于扩展温度范围(高达150°C)的工作环境。动态位移去除技术在高温下提供良好的性能,降低了通常由于过度成形,温度依赖性和设备热应力而产生的残余位移应力。由于传感器的封装严密,因此为了确认是由于内部线路或设备接触不良,在X射线上对传感器进行了检查,没有发现异常。传感器内部电源输入与公用端端端端端端端电阻100Ω和0.1μF交流电容之间的电阻,主要起到高频交流滤波的作用,避免芯片内部的损坏和干扰。由于需要进行故障模式分析,转速传感器进行独立测试,主要测试包括:一对磁极(现场兼容)传感器检测,磁偏差(N级磁性比S级弱)传感器输出检测,传感器加热检测。

结束语

目前,给水蒸汽泵(蒸汽泵)广泛应用于现代大中型发电厂,是锅炉给水的重要设备。大中型发电厂的每台装置均配备一台或两台50%功率的蒸汽泵和备用电泵,正常情况下采用蒸汽泵启动机组,发生事故时可紧急启动备用电泵给锅炉供水。这不仅大大降低了工厂的电力消耗,而且使设备更安全,更经济,更高效,更环保,更耐用。经济和社会效益显而易见。

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