（中广核核电运营有限公司 518000）
摘要：针对A核电厂2号机组汽轮机调节油系统（GFR）主油泵联轴器的异常磨损故障，对可能的故障原因进行了详细分析。结合该设备结构和现场布置情况，设计开发了联轴器找中心专用工具，优化了联轴器安装工艺，从而成功解决了联轴器异常磨损问题，此项研究可为同类设备故障的处理提供理论和操作依据。
关键词：汽轮机；主油泵；联轴器；磨损；专用工具；安装工艺
A核电厂2号机组汽轮机调节油系统（GFR）的主油泵为柱塞泵，油泵、电机分别安装在钟形罩两端，通过联轴器将电机扭矩传递至油泵。设备运行中联轴器若发生异常磨损，会造成油泵瞬间失压，如果备用油泵联启失败，GFR系统将失压停运，导致汽轮机因进汽门关闭而跳闸。本文对可能导致主油泵联轴器异常磨损的诸多因素进行了逐项分析，提出了针对性的处理方法，并设计了专用工具，从而有效解决了此类问题。
1 问题描述
2017年某日，A核电厂2号机组主油泵2GFR0302PO的出口压力从160 bar（1 bar=105 Pa）突降至0 bar，随即备用泵联启成功，汽轮机运行正常。故障发生后进行了检查，发现油泵无卡涩现象，电机各项参数正常。泵组拆解检查发现，联轴器的尼龙圈内齿约有2/3的齿磨损严重，电机侧和油泵侧外齿轴套完好无磨损。更换同型号联轴器备件后，油泵运行状态正常，系统参数稳定。
查询该泵的检修记录发现：在2号机组第1次大修（A201）中，对GFR系统6台主油泵进行了拆解检查，发现2GFR0302PO联轴器的尼龙圈也存在异常磨损情况，与机组日常期间的磨损位置和磨损量一致，而其他5台油泵联轴器均无磨损。
另外，与该机组同型号的B核电厂3号机组在第2次大修（B302）中发现， 3GFR0102PO联轴器的尼龙圈内齿同样存在磨损情况，磨损现象与上述一致，如图1所示。
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图1 主油泵联轴器尼龙圈内齿磨损情况
2 油泵联轴器介绍
A、B核电厂的GFR主油泵是型号为PGF3-3X/040RE07VE4的柱塞泵，功率为18.5 kW，电机功率为22 kW。机组正常运行时，1台主油泵运行，另1台备用，维持GFR系统压力（160±5）bar，当压力低于100 bar时启动备用泵，确保控制油系统压力始终维持在标准范围内。
油泵采用立式安装，悬吊于钟形罩下，钟形罩悬吊于油箱上部台板，电机立式安装在钟形罩上面，如图2所示，电机和油泵之间通过TGLA5型联轴器传递动力。
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a）主油泵示意图 b）联轴器剖面图 c）联轴器三维图
图2 GFR主油泵和联轴器示意图
TGLA5型联轴器由非金属内齿圈和金属外齿套组成，细齿型、50齿；材质为45号锻钢（外齿套）+尼龙（内齿圈），金属与非金属配合具有良好的自润滑性。联轴器的允许扭矩为315 N•m，允许转速为5 000 r/min，规格尺寸为Ø95 mm×Ø75 mm×50 mm，适用于两同轴线传动轴系的设备使用，属于挠性传动方式的一种，具有一定补偿两轴相对位移的特点，允许较大的轴向、径向位移和角位移，使用环境温度为-20～80℃。这种联轴器具有结构简单、维修方便、拆装容易、噪声低、传动功效损失小、使用寿命长及成本低廉等优点，为成熟标准产品。
3 联轴器异常磨损原因分析
3.1 联轴器选型不当
依据TGLA5型联轴器的设计工作参数，结合GFR主油泵安装方式、工作扭矩和工作转速进行了对比分析可知，选用此型号联轴器能满足油泵传递扭矩需要，运行后各项参数均在设计范围内。
根据JB/T 7511—1994《联轴器的载荷分类及工作情况系数》，工况系数K=1.5，电机功率Pw=22 kW，转速n=1 460 r/min，可计算出联轴器启动扭矩TC：
TC =K×9 550×Pw/n=1.5×9 550×22/1 460≈216 (N•m)
同时，对联轴器的相关尺寸进行了测量，并与厂家提供的标准进行了比对，结果如表1所示。
表1 TGLA5型联轴器相关参数值对比
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依据上述计算和分析结果可知，联轴器选型满足油泵的运行需求，从设计角度来看，可排除联轴器选型不当或质量不达标造成异常磨损的可能。
3.2 油泵转动部件卡涩及运行扭矩超标
拆卸油泵电机后，按油泵工作方向徒手盘转油泵发现，转动灵活、无卡涩点，和其他5台油泵对比，均是按油泵工作方向盘转扭矩大，反之盘转扭矩小，各油泵之间无差别。
查询日常期间各油泵电机的运行电流，发现联轴器异常磨损的2GFR0302PO的电机电流与其他泵的电机电流接近，处于6台油泵电机电流的中间水平，因此认为油泵运行状态正常。
将2GFR0302PO返厂维修，解体检查后发现油泵状态良好，未发现柱塞、柱塞套、配油盘等部件有磨损，清洗回装后油泵试验合格，因此可排除油泵转动不畅、扭矩超标这一因素。
3.3 联轴器质量下降
内齿圈尼龙材料由于成分中含有酰胺基团，故具有较强的极性，易受到高温、潮湿等环境因素影响，使高分子链产生交联、断链、异构化等反应，导致材料性能劣化；随着环境温度的升高，材料的颜色会变黄，材质会变脆，强度会迅速降低，易于出现损坏。
经检查，磨损联轴器的出厂日期为2011年1月，截至损坏时才6 年，未超出10年的寿期，而同批号联轴器共有6个，其他5个均未出现异常磨损现象。
目视检查发现，磨损联轴器表面无显著发黄色变，尼龙齿圈磨损处齿形态无异常，齿角尖锐，无高温软化现象。未磨损的齿型正常，与新尼龙齿套备件齿型一致，二者的测量齿高也一致。因联轴器安装在封闭的钟形罩内，运行期间无法直接测量联轴器处的表面温度。正常运行时油箱油温不高于55℃，油泵运行时通过油液持续冷却。测得油泵出口母管表面温度约为60℃，推算油泵轴系导热至联轴器处的温度最高为60℃；测得油泵电机正常运行温度为65℃，导热至联轴器处的温度最高为65℃（不考虑电机轴导热过程中的热损耗），均未超出尼龙齿圈长期运行的温度上限80℃，不会造成联轴器老化提前磨损。
3.4 油泵频繁启动提前磨损
在油泵启动瞬间，联轴器从静态到动态，承受的载荷一般为正常运行时的2～3倍，若油泵频繁启停，会使联轴器经常过载而加速磨损。
根据A核电厂的程序要求，GFR油泵切换周期为1周，即1台油泵运行1周后切换至备用泵运行，运行泵又作为备用泵，往复循环。在现有切换周期下，1、2号机组的12台油泵启动频率相当，每台油泵启动次数一致，但只有2GFR0302PO联轴器磨损，其他油泵联轴器均未出现磨损，故可排除联轴器磨损因切换引起这种情况。
3.5 联轴器尼龙齿套受力不均匀
原GFR联轴器检修工艺没有联轴器找中心要求。联轴器的同轴度如图3所示。在联轴器安装后，静态下会造成外齿和内齿一侧紧密贴合（若同轴度严重超差会紧紧贴死，甚至安装时就已使外齿圈挤压损伤），相反侧的外齿和内齿间会出现间隙，进而导致齿间不能正常啮合。
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图3 联轴器同轴度示意图
油泵启动瞬间，电机扭矩集中在紧密贴合齿间传递至泵侧，因齿间不正常啮合造成外齿顶对内齿根磨损。当联轴器旋转180°后，另一侧齿间承受的扭矩减小，即联轴器旋转1圈，齿间经历了受力和松弛两个过程。因为尼龙外齿的硬度低于45号钢内齿的硬度，所以造成尼龙外齿圈提前非均匀磨损。对磨损联轴器进行检查可知，联轴器磨损不是均匀整圈磨损，而是只有3/4圈齿磨损，1/4圈齿完好无损，这符合同轴度不合格造成部分齿承受超载扭矩而损坏的特征。
运用“拓模”技术获得了按原工艺回装后的联轴器同轴度，为2.2 mm（标准为≤0.20 mm），验证了上述分析结论。
在厂家的设计中，油泵、钟形罩和电机通过钟形罩上的定位止口连接，且钟形罩为全封闭设计，在安装时无需联轴器找中心，通过钟形罩止口定位即可，故工程安装无数据可查。A201大修中测量的2GFR0302PO数据如下：
（1）电机轴端晃度＜0.01 mm，满足≯0.05 mm的标准要求。
（2）电机轴端和钟形罩、电机安装止口的同轴度为0.10 mm，满足≤0.20 mm的标准要求。
因为钟形罩设计为全封闭结构，所以电机回装后无法直接测量联轴器的同轴度。本次大修中专门设计加工了中心测量专用工具（图4），通过测量油泵轴端和钟形罩、电机安装止口的同轴度，即可反映出电机回装后联轴器的同轴度。检修测量时，将电机吊出后拆除油泵侧对轮，将专用工具紧固在泵轴上，再将百分表通过磁力表座固定在导出平面上，使表针水平指向钟形罩止口，盘动转向杆，记录百分表读数，计算出同轴度。最终测得的联轴器同轴度为2.02 mm，大于JB/T 5514—2007标准中对此类联轴器的要求（ΔKr≤0.20 mm）。虽然联轴器生产厂家给出的标准是ΔKr≤0.40 mm，但检修中采用了更严格的标准，同轴度标准按ΔKr≤0.20 mm执行。
通过以上分析并结合实际测量的联轴器同轴度数据可知，联轴器异常磨损的原因为同轴度不合格，这是造成联轴器运行中异常磨损的根本原因。
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1—连杆；2—转向杆；3—键；4—导出平面；5—对轮；6—紧固螺栓。
图4 找中心专用工具示意图
4 安装工艺改进
（1）对钟形罩变形量进行测量，防止因钟形罩变形引起联轴器同轴度不合格。测量前对钟形罩进行彻底清理，检查电机安装止口位置有无毛刺，若有毛刺则用什锦锉修复，防止联轴器找中心跳时引起百分表动而影响读数。用刀口尺检查钟形罩止口处的平面度偏差，要求不大于0.10 mm，并检查电机安装止口椭圆度，要求不大于0.05 mm，若不满足上述要求则进行修复或更换。钟形罩材质为铝合金，在清理时不得使用尖硬工具。
（2）油泵安装后电机回装前，对联轴器和钟形罩电机安装止口进行找中心。考虑抗燃油特性，原厂家设计中钟形罩和台板之间的垫片材质用的是氟橡胶板。油泵回装后，需使用上述找中心专用工具对联轴器同轴度进行调整，使其满足标准。调整方法为在钟形罩和油箱台板之间加（减）垫片，当联轴器偏向钟形罩侧时，在相反方向的钟形罩和台板之间增加垫片厚度，反之则减小垫片厚度。加（减）垫片厚度与同轴度偏差的比例关系约为1/5（经验值），还需预留螺栓紧固后氟橡胶板厚度压缩量8%～10%的冗余，确保一次调整后同轴度合格或接近合格，减少反复调整次数。
常用的氟橡胶板厚度规格为0.5、1、2、3、5 mm，在调整过程中当调整量在0.5 mm以下时，现有氟橡胶板厚度无法满足，需用304不锈钢板制作调整垫片进行补偿，垫片上要设计有螺栓限位孔，防止螺栓紧固后发生位移而影响中心变化。
垫片加（减）完成后要预紧固螺栓，约达最终力矩的2/3时再测量中心数据，当测量数据合格后再均匀紧固螺栓至最终力矩。螺栓最终紧固后需再次测量联轴器同轴度数据，防止螺栓紧固不均造成数据变化。
（3）考虑到氟橡胶垫片的形变会引起联轴器同轴度在运行中出现偏差，需在每轮大修中检查联轴器的同轴度并调整合格。油泵运行后，油箱中油的热量会传导至钟形罩和台板之间的氟橡胶垫片上，引起垫片温度升高、硬度降低，在油泵重量及油泵运行中的交变振动力作用下，会造成垫片受挤压后减薄，使钟形罩与台板的间隙变小，进而造成钟形罩螺栓松动，引起联轴器中心偏差，轻则导致联轴器寿命缩短，重则导致联轴器异常磨损、油泵失压、机组调停事故。
为避免联轴器异常磨损故障发生，需在每轮大修时进行联轴器中心复查和调整，同时保守决策，将联轴器定期更换列入检修大纲，确保在一个大修周期内设备运行正常。
5 结束语
通过以上分析表明，引起GFR主油泵联轴器异常磨损的根本原因为联轴器同轴度不合格。通过设计、使用找中心专用工具，优化了油泵安装工艺，在油泵安装后将联轴器同轴度调整至标准范围。经1C检查联轴器无异常，主油泵运行至今状态良好，再未出现异常磨损故障。此外，将本文所述的联轴器异常磨损处理方法反馈给同类电厂对机组进行处理后，至今亦未再次出现相同故障，彻底解决了此类联轴器的多电厂异常磨损共模故障，对同类设备联轴器磨损缺陷的原因排查和处理具有一定参考意义。
参考文献
[1]TGL鼓形齿式联轴器：JB/T 5514—2007[S]．北京：机械工业出版社，2007.
[2]联轴器的载荷分类及工作情况系数：JB/T 7511—1994[S]. 北京：机械工业出版社，1995.