1、书书书2023 年第 1 期核电用汽动泵轴承超速工况影响下寿命研究林仲（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴314300）摘要：核电站汽动辅助给水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。根据现场反馈，轴承故障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、涂层脱落等，这与汽动泵滑动轴承的维护更换周期不合适有着必然的联系。为了更精确地确定轴承的维护更换周期，减少由于维护不足或维护过度导致的故障次数，提高机组运行的安全性，基于对汽动泵滑动轴承的运行工况、结构组成、材料属性、现
2、场反馈等信息作为输入，从“工程思维”角度出发，基于可追溯、可查询的方法和数据，从基本额定寿命、可靠性因素、环境影响三个方面考虑，提出一种适用于此类滑动轴承的可靠性寿命计算方法，为滑动轴承现场维修、更换和替代提供参考和依据。关键词：核电站用泵汽动泵轴承使用寿命中图分类号：311文献标识码：国内核电站汽动辅助给水泵大多采用 45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
3、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。为了更精确地确定轴承的维护更换周期，减少滑动轴承因维护不足或维护过度导致的故障次数，提高机组运行的安全性，本文基于对汽动辅助给水泵水润滑滑动轴承的运行工况、结构组成、材料属性、现场经验反馈等信息作为输入，从“工程思维”角度出发，基于可追溯、可查询的方法和数据1 2，从基本额定寿命、可靠性因素、环境影响三个方面3，提出一种适用于滑动轴承的可靠性寿命计算方法，为滑动轴承现场的维修、更换和替代提供参考和依据。1背景介绍核电站汽动辅助给水泵多为 45 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
4、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，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分析原则2.1基本概念基本额定寿命：一个理论参考值，用于预估轴承使用寿命，基本额定寿命以大量的实验室测试为基础，可以评估较为准确的平均水
5、平。使用寿命：取决于实际运行条件（考虑可靠性因素和环境因素），是轴承在运行中表现的实际寿命。使用寿命计算难度很高，因为确定和评估所有的影响因素太过复杂。因此，根据应用条件的不同，实际寿命可能与基本额定寿命不同。112023 年第 1 期2.2工作原则以初步定性分析为基础，以汽动辅助给水泵额定流量 126 3 工况作为输入，以轴承初次投入使用为起点，分别考虑汽动泵在 9850 和10270 两种转速限制情况下的使用寿命，进行轴承的可靠性分析，为现场汽动辅助给水泵相关的维护改造等提供参考依据。基于过往在轴承类产品中开展的故障诊断和寿命预测中的相关经验，本类型轴承所表现出的主要故障模式是“磨损”，但
6、磨损是多种因素互相耦合、互相作用的结果，很难从机理层面全面衡量和评估轴承寿命，而且，机理层面的工作模式更适用于“预研类”项目，对于工程的解决并不完全适用。对于轴承类产品，国外部分制造厂基于试验积累了较多方法和数据，且在业内相对被认可；国内对滑动轴承关于寿命分析等未发现相关标准，但滚动轴承有相关标准，可借鉴该标准中的技术思路。根据滑动轴承技术资料“”中提供的该类“免维护钢 烧结铜滑动接触面组合”滑动轴承的基本额定寿命经验公式：1214001.3（1）或 60（2）式中，为基本额定寿命（）；为基本额定使用寿命（变动次数）；1为载荷条件系数；2为温度系数；为给定轴承载荷（2）；为平均滑动速度（）；为
7、变动频率（1）。通过计算该类滑动轴承基本额定寿命，确定相关可靠性因素因子和环境因素因子，折算出该类滑动轴承在超速试验工况下的实际寿命值。3计算过程3.1在泵 9850 转速下的寿命分析3.1.1基本额定寿命根据式（1）逐一确定其中的系数。1为载荷条件系数，与振动有关，此处取最严苛条件（超过 0.5，高达 5）10.2。2为温度系数，考虑到轴承为水润滑，取164.2 对应的值 0.2（线性关系）。为给定轴承载荷，根据运行维修手册和厂家资料，轴承在关入口阀过程中，出现最大径向力负载为 关6240。分别计算轴承与轴接触角为 120和 60情况下的最大比压：关120关（3）0.758 2关60关（6）
8、1.314 2式中，和 分别表示轴承直径和宽度，取值为 100，95。根据 泵的理论与设计中离心泵滑动轴承径向力的计算公式：9.8122103（3）其中：00.36 1 0()2（4）98500.36 1 9850()2（5）式中，0126 3，190 3，9850154 3，01140，820，98501690。可得：98501200.9572 29850601.6579 2式中，为实验系数；为泵扬程；2为叶轮外径；2为出口宽度；为最高效率点流量；0为计算点流量。平均滑动速度根据技术资料中平均滑动速度公式：5.82 107（6）已知 0.1，90，9850，则：0.052 基本额定寿命根据公
9、式（1）数据计算，滑动轴承的基本额定寿命为：9850120 12140098501201.31148.92 985060 1214009850601.3562.55 3.1.2可靠性及环境因素核安全局“2020 年中国核电厂设备可靠性数据报告”对于汽动泵运转失效的均值数据为 泵2.94 04，以此为可靠性水平依据，如表1 所示。212023 年第 1 期表 1设备可靠性参数表序号设备类失效模式5置信下限均值95置信上限误差因子分布类型1电动泵：启动失效1.05 041.41 041.86 041.33 00：运转失效2.78 063.44 064.21 061.23 002汽动泵：启动失效8.
10、38 041.49 032.47 031.72 00：运转失效8.70 052.94 046.01 042.63 00汽动泵运转可靠度为：泵1 泵（7）则：轴承7泵0.999958（8）100轴承（9）根据 6391 2010 281：2007 滚动轴承 额定动载荷和额定寿命，可靠性寿命修正系数 1为：10.05 0.95100()100()90230.055（10）对于造成轴承磨损的环境因素，主要可归纳为三种：异物侵入、制造因素、装配因素。另外，除上述三因素外的其他因素可一并考虑作为“其他因素”（如环境、润滑、异常工况、热疲劳等），分别对其设定系数，计算概率寿命结果。根据工程经验，其他因素主
11、要考虑老化，以材料加速老化模型 为参考，设定异物侵入、制造因素、装配因素和“其他因素”参考系数分别为 0.9、0.8、0.8 和 0.014，则环境因素因子 为：0.576（11）3.1.3使用寿命将以上计算数据和取值数据代入公式 1（12）则：9850120 198501200.5109 985060 19850600.2502 故：9850 平均9850120 9850()6020.3805 考虑 可 靠 性 因 素 和 环 境 因 素 后，轴 承 在9850 转速下的实际使用寿命计算结果可接受运行时间为 0.3805。同上，考虑可靠性因素和环境因素后，轴承在10270 转速下的实际使用寿
12、命计算结果可接受运行时间为 0.5039。4结论根据群厂核电站现场经验反馈，汽动辅助给水泵超速试验每次大修的试验次数各不相同。平均数据为机组每次大修进行一次电磁超速试验和一次机械超速试验，电磁超速试验结果为 1 次失败、1 次成功；机械超速试验结果为 2 次失败、1次成功。本文采用群厂平均试验次数，即一次大修总共实施 5 次超速试验，2 次成功，跳闸转速为9850 ；3 次失败，跳闸转速为 10270 。对于杠杆法超速试验，每次试验时间约1。每次大修进行电磁超速和机械超速试验的折合总时间为：总3失败2成功60式中，为时间折算系数。98501201.39850102701201.3102701.
13、324故，滑动轴承在其实际寿命范围内的大修次数为：大修次数10270 平均总5.353 次综上，以泵可靠度为依据，仅考虑超速试验对汽动辅助给水泵的影响条件，汽动辅助给水泵原滑动轴承使用寿命可以支持约 5 次大修（每次大修均执行该超速试验）。若超出上述大修次数，需要重新核算计算结果。5展望本文分析数据是基于泵厂家提供的轴承受力分（下转第 28 页）312023 年第 1 期故障分类效果，因此在机泵故障诊断工作中，可以用该方法对目标机泵建立故障分类模型，从而对机泵设备进行定性地故障诊断。3融合诊断实例某炼化企业乙烯二部分离装置乙烯精馏塔回流泵，2021 年 2 月 8 日，泵驱动端水平振动速度值达
14、 4.58 ，超过报警阈值，发出报警信息，如图 8 所示。监测系统根据监测的实时数据和历史数据，运用机理模型和数理模型融合诊断方法，自动诊断为回流泵基础松动，经检修钳工检查，把紧地脚螺栓后振动值下降，报警消失，泵状态恢复正常。应用本文介绍的诊断方法，提升了机泵故障报警的及时性和诊断的准确性，降低了机泵运维人员的工作压力，提高了机泵的可靠运行时间，实现了图 8振动趋势图炼化企业机泵智能化管理。4结语设备故障诊断技术是设备完整性、可靠性、检维修管理的重要支撑技术。设备故障的产生和发展受系统内、外各种因素的影响和制约，故障机理非常复杂。多年来，故障诊断领域的科研人员和设备诊断工程师对此进行了深入地研
15、究和探索，获得了许多研究成果，但距实现设备智能化诊断还有较大差距。本次科研项目将设备的故障机理模型化，研究机理与数理模型融合的方法，深入探索设备故障规律，是实现设备故障智能化诊断的新方法和新尝试，在炼化企业机泵的监测诊断实践中获得了成功应用。参考文献 1 袁小宏，屈梁生机械故障诊断中的信息融合利用问题研究 振动测试与诊断，1999，19（3）：187 192 2 ，1999，6（4）：81 83 3 李一邨人工智能算法大全：基于 北京：机械工业出版社，2021（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2022 07 26）（上接第 13 页）析结果 6240 为输入，若后续厂家输入数据有更新，或现场可获得新
16、的数据，则可以优化模型，提升计算结果精度；或有叠加工况需考虑，则需要重新校核计算结果，必要时重新建模评估。同时，由于部分数据取值采用的工程经验数据，后续需要根据现场实际数据的积累进行持续优化和调整。现场可根据本文的计算结果调整和优化汽动泵轴承的维护周期，但在进行汽动泵超速试验过程中，需要根据每次大修进度做好记录，每次试验要详细记录试验时间，并与该轴承实际寿命进行对比，根据实际情况对轴承进行维护，密切关注轴承的使用情况。本文所采用的可靠性分析方法也适用于其他核电站汽动泵“免维护钢 烧结铜滑动接触面组合”类型轴承的实际使用寿命计算，可以为核电站现场的汽动泵轴承维修周期、更换和改造窗口等提供参考和依据，也可以为其他重要关键部件的可靠性寿命分析提供参考和思路。参考文献 1 黑棣径向滑动轴承 拉杆转子系统非线性动力特性研究 西安：西安理工大学，2018 2 蔡林流体动压滑动轴承静特性研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012 3 金永福滑动轴承动力学温度及压力分布规律研究 制造技术与机床 2009（12）：137 140（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2022 07 26）82
