FQHDL35型海水循环泵齿轮箱轴系摆度超标原因

陈坤池，郑嘉榕，郭金强

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

百万千瓦核电站循环泵一般为大型立式混流泵，其功能是将海水加压后输送至凝汽器和辅助冷却水系统[1]。对于大型立式水泵组，其轴系摆度测量、计算、处理及调整是其安装、检修、维护过程中鉴定安装质量和设备质量的重要标准之一[1]。某百万机组核电站1#机组B 列循环泵在首次大修检查时，对电机、齿轮箱、泵轴三轴轴系摆度盘车复查过程中发现泵轴导轴承处以及齿轮箱输出轴位置摆度值接近1 mm，远远超出循环泵泵组安装规范验收标准（泵轴摆度≤0.10 mm，齿轮箱输出轴摆度≤0.28 mm），可能引起泵组振动恶化、轴承等机械部件磨损的问题，严重威胁循环泵的安全稳定运行。

1 故障排查及原因分析

1.1 循环泵泵组结构分析及摆度超标故障点确认

循环泵泵组主要由电机、行星式结构齿轮箱、钢筋混凝土蜗壳泵、润滑系统等组成的大型立式混流泵。其轴系摆度由电机轴线、齿轮箱轴线及泵轴轴线组成[2]。

根据泵组结构特点，对循环泵电机、齿轮箱、泵轴系进行逐一单独盘车排查，发现电机轴系摆度合格，齿轮箱单体输出轴摆度仍为0.98 mm，因此确定了齿轮箱故障是轴系摆度超标的主要原因。

1.2 齿轮箱摆度超标原因分析及排查

对FQHDL35 型齿轮箱结构功能分析，将造成输出齿轮箱输出轴轴摆度超标的主要可能原因绘制成石川图（图1）。

对盘车条件各因素排查，确认了人工盘车转速稳定性较差且对转子有一定的冲击但人工盘车不会造成大幅度的摆度超标。结合齿轮箱解体检查，排除安装装配不到位情况，同时确认组合轴承完好无磨损。

图1 齿轮箱输出轴摆度超标石川图

检查发现固定环装置中固定套上、下两对（各2 个）配对圆形截面卡簧中的2 个下卡簧出现不同程度磨损（设计标准为Φ10 mm，磨损量≤0.5），其中下卡簧截面直径为Φ9.8 mm（上部磨损0.2 mm），下卡簧截面直径为Φ8.4（上部磨损0.2 mm；下部磨损1.4 mm）。同时检查行星芯包装置外观，发现行星轮轴上方可视部分有块状及粉末状巴氏合金碎末，初步定为行星芯包存在故障。

为明确行星芯包故障情况，对其进行解体检查发现行星芯包中4 根行星轮轴轴瓦表面存在不同程度磨损。行星轮轴轴承部位（巴氏合金）外径设计标准为mm。经检查测量，4根行星轮轴外径分别为Φ249.64～249.72 mm（中度粘接）、Φ249.69～249.77 mm（轻度粘接）、Φ249.60～248.57 mm（严重粘接）、Φ249.70～249.86mm（轻度粘接），可以确认，齿轮箱输出轴摆度超标的直接原因是行星芯包行星轮轴磨损。具体机理下文详细分析。

因为现场条件及大修工期限制，首次大修现场通过对行星芯包进行整体更换后装配，检查齿轮箱输出轴摆度为0.12 mm，联轴后测量泵轴摆度为0.09 mm，启动验证泵组运行正常。

通过上述分析可以确认，齿轮箱输出轴摆度超标直接原因为行星轮轴磨损以及固定套下卡簧磨损导致的。行星芯包整体更换后循环泵泵组摆度合格则从侧面进一步排除了电机、泵轴自身故障的可能。

1.3 齿轮箱摆度超标根本原因分析

行星轮与行星轮轴本质是一对滑动轴承，本故障齿轮箱行星轮轴巴氏合金轴承主要失效形式是胶合、粘接即瓦面烧毁磨损。轴瓦胶合可能原因有机组振动超标造成齿轮箱运行异常、润滑油黏度设计不合理、润滑油流量不足、轴瓦间隙设计不当、瓦面缺油、润滑油污染等[3]。

（1）调取循环泵泵组历史运行情况良好，排除了机组运行异常的可能。

（2）同行电厂其他7 台同厂家同设计的循环泵齿轮箱并无出现摆度超标、行星轮轴胶合情况，而且行星芯包整体更换后齿轮箱运行正常。排除齿轮箱润滑油黏度设计不合理、润滑油设计流量不足、轴瓦设计不当等设计共性因素。

（3）行星轮轴轴瓦润滑油由润滑油泵从齿轮箱油箱吸油并提供0.17～0.20 MPa 动力、经一定长度油管到达行星轮中心孔后从中间两个进油孔流向瓦面提供润滑。

调查齿轮箱安装调试情况，循环泵电机、齿轮箱、泵轴三轴轴系对中盘车调整过程中，润滑油系统处于停运状态，设计上未考虑为齿轮箱行星芯包提供带压的润滑油，而是仅采用人工方式行星芯包上方淋油，其润滑油压、润滑油量不足以进入行星轮轴瓦面，导致行星轮轴瓦面严重缺油，多次盘车造成瓦面一定程度的磨损。而且，本台循环泵为首台安装机组，其安装盘车次数最多，可能进一步加剧了行星轮轴的磨损。

此外，经检查齿轮箱润滑油系统过滤器滤芯附着较多可见黑色杂质、过滤器滤芯顶部因安全阀脱开失效。可以确认运行过程中，润滑油未经过滤芯直接从旁路通过，润滑油品质恶化加速了行星轮轴轴瓦磨损。

1.4 故障原因分析的结论

从以上的原因分析可知，可确定齿轮箱输出轴摆度超标的根本原因为设计上未考虑为齿轮箱行星机构提供有效润滑，调试安装阶段，循环泵电机、齿轮箱、泵轴三轴轴系对中盘车调整过程中，行星轮轴瓦面严重缺油，多次盘车造成瓦面磨损；促成原因为润滑油系统过滤器失效导致润滑油品质恶化；直接原因为行星轮轴瓦面严重磨损。

主要机理：循环泵齿轮箱未投入运行阶段，因在瓦面缺油情况下多次盘车，行星轮轴轴瓦不能及时冷却、温度过高，造成巴氏合金层一定程度的磨损、粘接。在后续长周期运行期间，粘连的这部分巴氏合金粘接起更多的巴氏合金，再加上润滑油品质下降，引起行星轮轴轴瓦严重胶合、磨损。行星轮轴磨损引起行星轮运行转动存在一定的偏摆，在运行过程中行星轮与太阳轮、上下齿圈、固定环装置中的齿轮啮合偏离正常设计工况，导致行星芯包限位卡簧磨损，两者相互影响，随着运行时间推移，行星轮轴及卡簧磨损程度加剧，行星芯包在轴向浮动、径向摆动量偏大，最终导致循环泵齿轮箱输出轴摆度超标。

2 改进措施及维护优化

某百万千瓦核电站1#～4#机组循环泵泵组按照上述措施优化后，未再出现泵组输出轴摆度严重超标事件，有效提升了设备运行的可靠性。根据泵组运行维护手册要求，每年大修需复查调整循环泵泵组轴系摆度，针对本次故障提出以下改进措施和维护优化。

（1）循环泵泵组轴系盘车增加齿轮箱盘车辅助润滑油泵装置的改进。在安装或检修盘车期间，因为润滑油系统处于停运状态，无法对齿轮箱行星芯包装置提供有效润滑油，因此改进增加一套盘车辅助润滑装置专门为齿轮箱提供润滑。在后续数次大修中验证了其既能满足设备润滑需求，同时还可以消除手动淋油对摆度测量产生的影响。

（2）优化FQHDL35 型齿轮箱检查标准以提前识别故障。以齿轮箱输出轴摆度≤0.28 mm 为第一标准，同时辅助检查行星芯包中两对卡簧可视部位磨损程度及齿轮箱内部金属颗粒或碎屑的含量，可提前识别设备潜在故障，提高维护效率，缩短检修周期。

（3）严格控制润滑油品质：首先，每年大修需对润滑油系统过滤器定期检查清洗；其次，每次设备检修后确认齿轮箱及润滑油系统内部的清洁度；最后，提高润滑油指标控制要求，其颗粒度标准由原来的≤NAS.8 级提高至≤NAS.6 级，水分控制≤200×10-6的水平。

（4）日常运行期间，密切关注泵组振动、轴承温度等关键参数。