M310主泵下推力瓦低压磨损分析与改进

M310主泵下推力瓦低压磨损分析与改进

骆毅

福建福清核电有限公司 福建 福清 350318

摘要：M310核电机组主泵作为一回路的“心脏”，安全可靠运行至关重要，根据同类型机组运行经验，主泵下推力瓦在一回路压力低时存在磨损风险，本文基于主泵推力轴承受力分析，提出避免下推力瓦低压磨损相关的工艺和控制逻辑改进措施，确保机组和设备的安全可靠运行。

关键字：温度；效率；循环；

1. 主泵推力轴承结构

M310机组冷却机系统设置三个回路，每个回路装有一台反应堆冷却剂泵（主泵），用于驱动高温高压、具有放射性的冷却剂通过反应堆堆芯，把堆芯中产生的热量传送给蒸汽发生器。

在主泵运行过程中，反应堆冷却剂系统压力、转动部件的重量、轴密封压力降作用力及叶轮的水推力等会合成一个轴向推力，在主泵启停及一回路升降压过程中，轴向推力会不断变化。为保证主泵的安全运行，设置了推力轴承。推力轴承主要由上推力瓦、推力盘、下推力瓦组成。推力盘将轴向推力负荷均匀地分配到各推力瓦上。随着电机转子和推力盘的转动，油液的力作用在推力轴瓦上，使其略微倾斜，并在轴瓦和推力盘中间建立一层油膜，使推力瓦与推力盘不接触。

推力轴承安装在轴承箱中，与轴承箱一起安装在电机飞轮下部与中间联轴器之间。整个轴承组浸没在润滑油中，在泵正常运转时，轴承是自润滑的，不需要外部的油泵。但是在反应堆冷却剂泵启动过程中，必须要先启动顶轴油泵，通过顶轴油泵将润滑油注入上推力瓦，经过上推力瓦上的小孔流入推力瓦和推力盘间，在推力瓦和推力盘建立强制润滑油膜，以保护轴承和推力盘。

2. 推力轴瓦受力分析

推力轴承受力主要来自反应堆冷却剂系统压力、主泵转动部件的重量、轴密封压力降作用力及叶轮的水推力。

冷却剂系统压力F_P：该压力作用在泵腔室上，对主泵提供持续向上的顶升力，根据主泵设计手册，随着系统压力的升高，顶升力随之加大，压力增长为6.5KN/0.1MPa。

主泵转动部件的重量F_G：受重力影响，该部分对推力瓦的作用力向下。

轴密封压力降F_S：主泵设置有三级机械密封，正常情况下由上充泵提供轴封水，轴封水逐级降压，从进入一级轴封的15.4MPa降低到离开三级轴封时的0.2～0.3MPa，该部分压力降对推力瓦的作用力向上。

叶轮的水推力F_H：根据主泵水力机械结构，反应堆冷却剂从泵下方沿轴向进入叶轮，最终从径向离开泵腔室，泵叶轮对冷却剂沿轴向有一个向上的提升力，相应的，冷却剂作用在叶轮上的反作用力向下，该部分对推力瓦的作用力向下。

根据机组运行经验，在主泵运行期间，推力轴承受力变化主要来源于一回路系统压力变化。在系统升压过程中，推力瓦受力由下推力瓦逐步转到上推力瓦。

在低压下，主泵转动部件的重量和叶轮水推力的合力大于轴密封压力降和冷却剂系统顶升力的合力，此时为下推力瓦受力。

随着一回路压力提升，一回路压力对推力轴承的作用力以6.5KN/0.1MPa速率提升，当一回路压力达到7~8MPa左右时，轴向推力基本平衡，上推力瓦和下推力瓦均不受力。

压力继续提升，对主泵提供持续向上的顶升力进一步增加，此时上推力瓦受力，下推力瓦不受力。

3. 低压时下推力瓦磨损的原因及改进

主泵运行时，其自带的润滑油泵持续运行，在推力瓦与推力盘之间由形成一层润滑油膜，由于振动、润滑油粘度变化、压力变化等原因，会导致油膜厚度下降甚至破裂，当最小油膜厚度小于推力瓦和推力盘峰高点时，二者因直接接触会出现边界磨损甚至干摩擦，导致推力瓦损坏。

机组启动阶段，由于一回路含有部分未排出的气体，需要启动主泵进行动排气或联合排气。根据分析，在一回路压力为2.8MPa时启动主泵，此时主泵转动部件的重量贡献205KN，叶轮水推力421KN，轴密封压力降181KN，推力轴承合计受力445KN向下，作用在下推力瓦上，上推力瓦不受力。

由于此时一回路为水实体，启动主泵后会引起一回路压力波动，根据运行经验，压力可能波动到2.2MPa，此时下推力瓦受力进一步加大，接近设计载荷（500kN），更容易造成轴瓦磨损。为避免类似情况，可以从工艺系统、控制逻辑、运行方式几个方面进行改进。

1）工艺系统改进

主泵设计有顶轴油泵，用于主泵启动和停运过程中，将润滑油泵注入推力轴承，在上推力瓦和推力盘之间形成油膜，以保护轴承和推力盘，并减小力矩。但顶轴油泵只在上推力瓦和推力盘之间注油，在低压下额外引入了向下的推力，进一步加大下推力瓦的载荷。

通过顶轴油注油回路改造，在下推力瓦和推力盘之间增加注油管线，并在注油管线上增加可远程控制的阀门。在低压下启动主泵时，关闭上推力瓦与推力盘之间的注油阀，确保顶轴油泵只向下推力瓦注油，提升下推力瓦与推力盘之间的油膜厚度，避免磨损。

2）控制逻辑改进

顶轴油泵运行遵照下列条件：

启动顶轴油泵无条件连锁:轴承体中油的液位高于最低液位。

启动顶轴油泵:

a、主泵停运且转速不为0rpm；

b、主泵转速在0rpm到1200rpm之间；

c、手动启动。

停止顶轴油泵：

a、主泵转速高于1200r/min;

b、主泵转速为“零”（主泵维持不动）。

现有逻辑不能确保在不同情况下保证推力瓦与推力盘之间有足够厚度的油膜，可以增加在以下工况下的启动逻辑：

a、轴封注入压力低于2.5Mpa。此时下推力瓦受力，顶轴油泵启动，向下推力瓦注油，减小下推力瓦载荷。

b、轴封注入压力高于16.8Mpa。此时上推力瓦受力，顶轴油泵启动，向上推力瓦注油，减小上推力瓦载荷。

3）运行方式改进

在低压启动主泵时，确保下推力瓦与推力盘之间有足够的间隙，保证润滑油膜的建立至关重要，在无顶轴油的情况下，可通过开启主泵高低压泄漏流之间的连通阀，利用轴封压力降，将主泵转子顶起，在下推力瓦与推力盘之间形成足够的间隙。

当前顶轴油泵的启停一般在主泵启停前五分钟内执行，后续可考虑优化顶轴油泵运行方式，在主泵运行时，顶轴油泵保持运行。根据一回路压力变化，在6MPa以下时，开启下注油阀，关闭上注油阀，增大下推力瓦的载荷裕量。在6MPa以上，开启上注油阀，关闭下注油阀，增大下推力瓦的载荷裕量。同时根据压力变化，调节注油阀开度，使之提供的油压与推力瓦承受的载荷相匹配，确保在整个压力变化范围内，推力盘和推力瓦均处于不受力状态。

4. 总结

通过对推力瓦结构和不同运行工况下的受力分析，结合当前的实际情况，可通过增加顶轴油下注油管线，增加顶轴油泵启动逻辑和油压调节，首次启泵时顶起操作等，可有效避免主泵下推力瓦在低压时磨损，保证机组的安全可靠运行。

参考文献

[1] 福清核电中级运行教材，2020年9月

[2] FQ2-RCP-RCBG5-201116 2RCP001MO电机下推力瓦磨损导致轴瓦温升异常根本原因分析报告，2021年12月