安全壳空气冷却机组电机故障分析

蒋严军

（中国中原对外工程有限公司 上海 200233）

安全壳空气冷却机组电机故障分析

蒋严军

（中国中原对外工程有限公司 上海 200233）

恰希玛核电站二期（C2项目）安全壳空气冷却机组，在项目调试阶段的连续烧毁，暴露出该机组风机存在的问题是共性的。在此基础上，分析风机存在问题的原因，为后续及同类产品提供借鉴和参考。

安全壳空气冷却系统；单列深沟球轴承；单列角接触球轴承；风机；电机；热膨胀

1 事故简述及分析

安全壳空气冷却系统（VCC）是为排除反应堆厂房内设备散热而设置的循环冷却系统。安全壳空气冷却系统有6×25%容量的循环冷风机组，反应堆正常运行期间，该系统4台设备投入运行，2台备用。

安全壳空气冷却系统，虽然只是核电厂正常运行的一个辅助系统，但也是核电厂正常运行必不可缺的一部分,对于核电厂的安全更是重要的保证。

但是，在恰希玛核电站二期（C2）项目的调试阶段，在半年的时间内，该系统的风机却接二连三地烧毁，导致系统无法正常调试运行。令人不得不对此系统设备的质量和运行维护管理进行慎重思考。

2010年3月10日，进行VCC系统调试时发现，VCC各台冷却机组在风机与阀门联锁运行后，电源开关热继电器频繁动作，工作电流超过额定电流，而且开关柜内有异音。

2010年3月17日，VCC003RU电机出现异响，随后跳闸。拆检发现，轴承已经烧熔，电机烧毁。初步排查是由于轴承油脂的缺失，最终导致电机烧毁。

2010年6月13日，对VCC004RU检查发现，绝缘为0，电机短路，轴承烧熔，风机转子扫膛，同VCC003RU的情况一样。

厂家根据现场反馈情况认为，电机的安装存在错误（即安装时电机的轴承方向装反了），6313轴承本应该装在电机上端，现在装在了下端。在重力作用下，产生摩擦，造成了电机轴承的烧毁。但后来的情况，完全偏离了这种解释。

2010年8月19日，在厂家的指导下，更换了电机和进行过系统检查的VCC004RU风机，运行10 d后，又出现了上述问题；10月23日VCC001RU风机、10月25日VCC006RU风机在间断运行的状态下陆续烧毁（见图1至图3）；10月26日VCC002RU风机出现异常，拆解发现，该电机的6313轴承的润滑油已经没有了，只是还没有到电机烧毁的程度。

吸取了上述教训，2011年1月7日，现场对尚未出现异常、但对运行时间不久的VCC003/005RU进行检查，电机端6313轴承的润滑油已经变色；2月5日，对刚刚更换新电机的连续运行了18 d的VCC002/004RU风机进行解体发现，油脂变色、油脂减少，轴承温度已经达到规范要求的上限，VCC001/005RU暂时未发现明显变化；3月6日，再次对保养后连续运行29 d的VCC003/004/006RU风机进行检查，轴承内的润滑脂变色，且所剩无几。

同样问题的连续出现，暴露出风机电机烧毁的原因是共性的问题，而不是个案，更不可能是维护运行不当造成的，而是风机的质量和设计方面存在问题。

该型号电机（Y225S-4N）是应用非常广泛的成熟产品，按道理绝不该出现此类事故。问题究竟出在哪里？只有结合现象和风机的结构、特点来分析。

现场烧毁的电机上普遍存在几个共同特点（损毁电机见图1至图3）：

1）烧熔的轴承均为单列深沟球轴承（轴承型号：6313，简称6313）。

2）与6313轴承配合的轴承端盖上有明显划痕，且6313轴承内圈磨损严重，局部已经磨成楔形。说明轴承内圈与轴承端盖相碰；电机外的油漆严重变色则是承受高温的结果。

3）单列角接触球轴承（轴承型号：7313，简称7313）轴承没有烧毁，且油脂均未缺失。

VCC空调系统的系统布置(见图4)是3台空调风机并联的向下的送风系统。VCC风机是一个垂直安装向下送风的轴流风机，由进气环、机壳、整流导叶环、叶轮（上下两组）、电机（37 kW）等部分组成（见图5至图7）。

从风机装配图（见图5）中可以看到，正常情况下，6313轴承处于上部，而7313轴承的安装位置在电机的下部，承受着电机转子和风机的叶轮重力。理论上，6313轴承不受力，处于自由状态，可以沿着轴向做上下的小范围地移动，不存在摩擦和热产生。

由现象及经验判断，造成风机事故的主要原因：

1）厂家设计时没有考虑到设备的具体使用情况，对于风机的升力和叶轮的重力没有经过计算，错误地以为此电机为一个单向受力的形式。凭经验进行设计，不严谨。

实际是：作用在电机轴承（主要是7313轴承）的力由两部分组成（见图6），一个是风机叶轮、电机转子及附件组成的重力G；另一个就是风机送风受到的轴向向上的作用力F升。重力G是个恒定的数，但是F升则是个变化的值，引起变化的因素很多，主要会随着电流和电机转速的变化而变化。

根据力学第一定律，作用力与反作用力相等。因此，电动机受到的向上的作用力F升，等于风机的送风能力，即粗略可以认为：风机产生的全压在风机截面上的力。

轴向作用力F升＝静压×作用面积

计算时将两级风机视为一个整体，两级风机的总静压可看做单个轴流通风机的“代数和”；Ⅰ级风机静压为：1 000 Pa，Ⅱ级风机静压为：1 300 Pa，方向均指向进风口。

作用面积＝回转叶片环面积+轮毂面积= π/4×(1.003）2。

轴向作用力F升：（1 000+1 300）×π/4× (1.003）2。

通过查阅厂家出厂资料（见图8）获得的风机相关参数，额定工况下的7313轴承的受力计算如下：

轴承所受到的重力为：

可见，F升

说明：理想状态下，正常工作的风机的叶轮轴，不存在轴在升力作用下向上的位移。设计上6313轴承不受力。

(3)通过对所出露的地下管线调查记录。例如运用测绘和绘图的方法，对地下管线现情况加以标示，在明确各类地下管线位置的基础上，详细核查地下附属设施，并测量附属物的属性。

但是，还有一个事实，就是风机启动时，瞬间工作状况不是这样简单。启动电流是正常的5～7倍，因此，启动时的F升是很大的，F升≥G，并会造成轴的向上窜动。从而产生瞬间或短时间的轴承间的摩擦，一般不会造成严重影响，可以忽略不计。

2）6313轴承与端盖的间隙过小。轴向上些许的窜动，都会造成轴承与端盖的摩擦。经过现场检测，烧毁电机的轴承间隙为0.2～0.3 mm。相较于C1的电机轴承间隙为0.9 mm。明显偏小，更没有考虑电机轴的膨胀。

将所有新到货的电机的轴承与端盖的间隙，由原来的0.2 mm加大到0.6～0.8 mm，进行验证。

2011年1月7日，现场对于连续运行了一周时间的电机解体（解体2台），证实了这个猜测：VCC002FN的电机一切正常，而VCC004FN的轴承温度很高，润滑油已存在些许变色，测量轴承间隙为0.7 mm。说明正常情况下，电机轴向也会有热膨胀（由原来间隙1.0 mm降至0.7 mm，膨胀量为0.3 mm）。可见，电机轴的膨胀量已经超过了预留的间隙，间隙过小的电机烧毁在情理之中。

对于电流的监测数据也显示，电机的运行电流呈现逐步上升的趋势。正常情况的电流应该是一个稳定的小范围内的变化。经过了10 d左右，电机的电流才稳定下来（在额定电流之下）。

另外，从C1的长期运行情况来看，该电机也存在陆续烧毁的情况，现象与此相同，只不过运行的时间稍长些，由10多天延长至2～3 a。

可见寿命上，该电机不能满足《安全壳外1E级电动机技术条件》的相关规定。调整间隙可以缓解问题出现，并非是彻底解决措施。

2011年1月7日，VCC004FN的检修情况都证明了这一点：测量轴承间隙由1.0 mm降为0.7 mm。轴承间隙在散热不良的情况下，电机轴在热的作用下，产生膨胀，从而使得轴承间隙减小了。

2011年2月5日，连续运行13 d（累计运行18 d）后的电机，检查发现：VCC002/004电机轴承的润滑脂已经发黑，且存在减少情况（见图9、图10）。另外对轴承温度的测量，VCC002的温度为75.5 ℃；VCC004的温度为79.5 ℃。这是停机半小时后的测量结果，考虑到这段时间的自然降温，可以判断，正常电机的轴承温升已经超过80 ℃，这是国标规定的一般电机的轴承温升上限。这都是散热不良造成的，再运行下去，出现烧毁电机的情况是必然的。

4）装配质量。在对损坏的电机解体过程中发现：厂家并未按照装配图进行装配，错误地将6313轴承端盖间的垫片（见图7）安装在了7313轴承的位置，与设计图纸不符；从而直接导致6313轴承与端盖间隙地变小；进而出现上述现象，装配质量确实存在问题。

5）轴承的质量。若7313轴承的水平度不理想，或是长期疲劳运行造成平面度损伤，势必造成电机上部6313轴承的窜动和轴的摆动；或是6313轴承的滚珠存在圆度差距，都将带来此类严重问题。势必造成电机轴跳度增大，从而造成轴承的摩擦。这只能是个例，不会一批出现。

6）轴承选型不合理。下部为7313轴承，上部为6313深沟轴承，轴向向下的推力由7313轴承来承担；使电机轴的另一端（6313侧）为自由端。6313轴承一侧根本无法承受轴向的向上推力和窜动。若都选用7313轴承，则电机轴两端均被固定，即使存在些许的窜动，也会被消除。

7）风机的振动。风机的振动以及系统的共振，会引起电机轴的窜动，从而导致6313轴承与端盖发生摩擦。

8）风机的动平衡试验。标准要求是否合理，是否在立式动平衡机上进行的测试，厂家报告中没有。动平衡不满足，也会造成电机轴的跳动，产生轴承磨损和摩擦。

9）润滑油的质量。润滑油内若存在杂质或颗粒，电机工作时，也会引起轴的窜动。在此，选用耐高温的润滑油比较恰当。

根据VCC风机现场的初期运行情况，电机电流、风机振动、风机噪声，都满足设计要求，都在额定的范围之内，所以对上述的第5、7、8、9条原因也基本可以排除。

因此，可以确定，造成电机损坏的直接原因是6313轴承的磨损。而造成6313轴承烧毁的深层次原因则在于电机自身产生的热量、在6313轴承处存在摩擦产生的热量和电机没有良好的散热。这几种因素的综合作用，先是挥发掉了轴承处润滑油，然后是造成风机的剧烈震动，加剧轴承与端盖的摩擦，最终导致电机烧毁。

2 解决措施

为了彻底解决上述VCC风机存在的问题，需从以下几个方面着手：

1）按照真实的风机的受力情况（除受到重力，还受到升力），进行科学合理的力学计算，再确定轴承的安装结构形式。

2）对于这种垂直安装形式的风机来说，除了下部采用角接触轴承抵抗重力，上部最好也采用角接触轴承，用以消除轴向上的力和窜动，提高电机的寿命。

这样做有几个方面的好处：①可以有效消除轴向方向上的力和窜动，不用考虑安装方向，给安装带来方便；②即使受到轴向的推力和窜动，也可以有效降低摩擦，变原来的滑动摩擦为滚动摩擦，减少发热和磨损；③对于装配质量、润滑油的质量和轴承精度的要求，可以有效降低，提高寿命；④轴承与端盖的间隙不用考虑。这样由于电机轴窜动造成的上述电机损毁问题，将会避免。

3）增大上部轴承与轴承端盖的间隙（0.8 mm左右较为合理），这样即使存在些电机轴的窜动、电机的装配偏差、电机轴的热膨胀，也不至于短时间内产生磨损。

4）散热，改变现有的电机安装结构，考虑散热措施，如水冷却等，取消电机外设置的钢桶（这种结构根本就不合理），使电机产生的热量可以快速被消除和散出去，这应该是最需要做的。

5）增加轴承的保护措施，设置热电偶等的监控。电机轴承温度超过80 ℃时，自动停机报警，以便于对出现的问题及时处理。

6）采用耐高温的润滑油，提高润滑油的使用寿命。轴承使用的润滑油是普通的3号锂基脂。当轴承温度超过80 ℃时，便会缓慢挥发。若是选用耐高温的轴承润滑油，情况会改善。

7）加强质量监管，切实按照质保程序有关要求组织生产，消除影响性能和质量的隐患（如装配精度、外购件质量等）。

只有从这些方面着手，特别是对电机的散热作为重点考虑，对现有的风机进行改造，才可以彻底解决VCC风机存在的问题。

Fault Analysis for Motor Burn-out of Reactor Containment Vent Cooling Conditioner

JIANG Yan-jun
(China Zhongyuan Engineering Co.，CNNC，Shanghai 200233，China)

The motor was continuously burnout in reactor containment vent cooling conditioner of C2 project, which indicated that there were general problem in the fan. This thesis analyses the problem of the fan in order to give advice and reference for similar product manufacture.

reactor containment vent cooling conditioner；single-row deep groove ball bearing；single-row angular contact ball bearing；fan；motor；thermal expansion

TL38 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0074-07

TL38

A

1674-1617(2012)01-0074-07

2011-11-07

蒋严军（1969—），男，黑龙江人，高工，机械专业，从事核电机械类产品工作。