核电厂CRF循环水泵推力轴承材料剥落损伤机理研究_韩宁.pdf

2023 年第 2 期核电厂 CF 循环水泵推力轴承材料剥落损伤机理研究韩宁1车银辉2李楠2陈强2(1 阳江核电有限公司，广东阳江529500;2 苏州热工研究院有限公司，深圳518000)摘要:核电厂 CF 循环水泵选用球面圆锥滚子轴承作为推力轴承，是重要的轴向承载部件，其外圈多次发生材料剥落损伤问题。对损伤的推力轴承开展化学成分、材料硬度、剥落微观形貌、显微组织、应力分布等分析，得出以下结论:推力轴承外滚道在过大载荷作用下会加速产生异常白色组织(“蝴蝶斑”)，从而发生材料疲劳剥落。该分析结果为核电厂 CF 循环水泵的推力轴承选型和维修优化提供了理论支撑。关键词:核电厂用泵循环水泵推力轴承损伤机理中图分类号:TH313文献标识码:A循环水泵是核电厂循环水系统(CF)的关键设备，为二回路凝汽器及辅助冷却水系统提供必要的冷却水，主要由两台循环水泵组成，单台循环水泵满足核电厂 50%功率运行，无备用冗余措施，对核电厂的经济运行起着重要的作用。1000 MW 核电厂 CF 循环水泵选用 BVC 型号混流立式水泵，由电机、行星齿轮减速器、泵体组成1 2。泵体上部轴承采用双列球面圆柱滚子轴承，油脂润滑;推力轴承采用球面圆锥滚子轴承，稀油润滑;下部轴承采用圆柱滚子轴承，油脂润滑。循环水泵泵体结构如图 1 所示。该型号水泵额定流量为 27 m3/s，额定扬程为 20 m，额定转速为180 r/min。核电厂 CF 循环水泵推力轴承一般选用滑动轴承3 和滚动轴承。BVC 型号循环水泵泵轴设计短粗，泵体轴承均选用推力滚动轴承，以节约推力轴承安装空间。然而推力滚动轴承在核电厂 CF循环水泵的应用研究较少。焦红瑞等4 对循环水泵推力轴承选用滚动轴承出现运行温度高的原因开展了分析，给出了其降温的解决措施。本文对推力滚动轴承在循环水泵服役后出现的材料剥落现象开展分析研究。通过开展化学成分、材料硬度、剥落微观形貌、显微组织、应力分析等研究工作，探究了滚动轴承材料剥落损伤机理，为核电厂 CF 循环水泵的推力轴承选型和维修优化提供了理论支撑。图 1循环水泵泵体结构1推力轴承结构CF 循环水泵推力滚动轴承型号为 29484EM，为分离型球面滚子推力轴承，是一种自调心轴承，外圈可以独立于轴垫圈、滚子及保持架组件进行安装和拆卸，如图 2 所示。该型号滚动轴承一方面承受较高的轴向载荷，另一方面又承受较高的径向载荷。推力轴承为垂直安装，采用油浴润滑方式，滚子具有抽送润滑油的作用，促使润滑自循环，起到良好的散热作用，如图 3 所示。242023 年第 2 期图 2推力滚动轴承结构图 3推力滚动轴承油浴润滑2分析步骤2.1分析对象CF 循环水泵的全检周期为 6C(1C 为 1 个换料周期，1.5 年)。推力滚动轴承外圈剥落统计情况如表 1 所示，最短的运行时间为 0.9C。根据轴承厂家的计算公式，推力滚动轴承在额定工况下的服役寿命为 97100 h(7.8C)。解体更换下来推力轴承的外圈滚道经检查未见明显偏磨现象，材料剥落发生在滚道位置，其典型形貌如图 4 所示，剥落面积为 5 mm 5 mm。选择运行周期分别为 0.9C 和3C 的推力轴承作为研究对象。表 1推力滚动轴承外圈剥落情况与服役时间序号位置损伤情况运行周期12 号机组 2 号 CF 泵推力轴承外圈滚道材料剥落0.9C24 号机组 2 号 CF 泵推力轴承外圈滚道材料剥落1C31 号机组 2 号 CF 泵推力轴承外圈滚道材料剥落3C41 号机组 1 号 CF 泵推力轴承外圈滚道材料剥落4C图 4推力轴承外圈典型剥落形貌2.2化学成分分析推力滚动轴承的外圈材料牌号为 100CrMnMoSi84 6。从推力滚动轴承外圈取样并开展化学成分分析(见表2)，材料化学成分均符合 ISO 683 17标准要求。2.3材料硬度分析从推力轴承的外圈滚道表面向内部进行硬度梯度测试，测试结果如图 5 所示，硬度值在 730HV0.5表 2推力滚动轴承外圈化学成分(质量分数%)元素推力轴承外圈标准(ISO 683 17)C0.960.93 1.05Si0.430.40 0.60Mn0.860.80 1.10P0.0180.025S0.0010.015Cr1.801.80 2.05Ni0.03Mo0.57Cu0.05Al0.025图 5外圈由表面至内部的硬度梯度342023 年第 2 期附近，无明显变化，符合要求。硬度是表征材料性能的强度指标，这表明外圈材料强度满足要求。2.4剥落微观形貌对推力轴承的外圈滚道剥落处进行微观观察，其局部可见疲劳弧线，疲劳弧线方向收敛于剥落区中间位置，如图 6 所示。在外圈剥落区截取金相截面，截面组织未见烧伤、脱碳等过热组织，次表面可见呈分枝发叉、裂纹伴随其扩展的白色组织，外圈疲劳剥落起源于次表面，如图 7 所示。2.5显微组织分析轴承外圈金相组织显示为贝氏体组织，符合要求。推力轴承外圈产生的“蝴蝶斑”组织位于外表面 0.2 1.2 mm 处的次表面，如图 8 所示。将图 8 中的异常白色组织放大观察，如图 9 所示，夹图 6外圈剥落区微观形貌图 7外圈剥落区金相截面图 8外圈异常白色组织分布距离图 9异常白色组织微观形貌杂物周围形成粗大的白色条带，白色条带上分布裂纹缺陷。经能谱分析，夹杂物主要为 MnS，根据ISO4967 标准(非金属夹杂物定义)评级为 D 类。推力轴承外圈异常白色组织大小与运行周期呈正比关系。2.6外圈应力分析根据赫兹接触理论5，材料中“蝴蝶斑”组织的形成与材料强度和剪切应力紧密相关，其数量与接触应力呈比例关系。经计算，推力滚动轴承外圈次表面的剪切应力分布如图 10 所示，轴向推力为1400 kN，剪切应力深度为1.1 mm，这与白色组织分布距离相吻合。各核电厂同类型 CF 循环水泵推力滚动轴承运行参数及状态对比情况如表 3 所示。经对比，A核电厂 CF 循环水泵的轴向推力较大，然而推力图 10最大剪切应力深度表 3同类型循环水泵推力滚动轴承损伤统计核电厂推力轴承型号轴向推力外圈剥落损伤A29484EM大多次剥落B29484EM小未见异常C29488EM大未见异常442023 年第 2 期轴承的载荷性能未提升，导致 A 核电厂 CF 循环水泵推力轴承受力相对恶劣，即轴承的载荷越大，滚动接触应力越大，次表面中的最大剪切应力越大。这表明轴承外圈剥落与滚动接触形成的剪切应力过大呈正比例关系。3损伤机理分析通过对剥落损伤的推力轴承外圈所开展的化学成分、材料硬度、剥落微观形貌及显微组织分析可知，其化学成分、材料硬度、金相组织及非金属夹杂物等级均满足设计要求。轴承外圈剥落性质为接触疲劳剥落，且为异常白色组织“蝴蝶斑”所致。GABULOV A 等6 研究表明，“蝴蝶斑”组织的产生与材料次表面最大剪切应力联系密切。非金属夹杂物 Al2O37，被发现是产生“蝴蝶斑”组织的主要原因之一。本次循环水泵推力轴承外圈材料组织中的“蝴蝶斑”被发现为围绕非金属 MnS 夹杂生长的。实际轴承钢中不可避免地存在各种尺寸不一、分布不均的夹杂物8。当前对于夹杂物引发的疲劳裂纹的萌生理论还较少，比较经典的是 TANAKA K9 提出的位错机制，即循环载荷下位错在夹杂物处塞积，当塞积的位错产生的应变能达到材料的断裂能时即萌生裂纹。另外，根据付悍巍等10 11 学者的综述，蝴蝶组织应为纳米级位错胞构成。综上，本次推力轴承观察到的蝴蝶组织，应为轴承运行时位错在基体相与 MnS 相的界面处产生塞积形核长大形成的。通过文献资料12 13 可知，滚动轴承外圈在交变接触应力作用下，最大剪切应力对应的次表面处发生局部塑性变形。当应力足够大、作用时间足够长时，该区域的微观组织将发生变化，在夹杂物周围的特定方向上形成粗大的白色条带(蝶形缺陷)。在异常白色组织的边界及条带中有微裂纹产生，最终裂纹扩展至接触表面，产生接触疲劳剥落。4结论推力滚动轴承凭借安装空间小、辅助系统少等优点首次在核电厂 CF 循环水泵应用。针对 CF循环水泵推力滚动轴承外圈频繁发生材料剥落现象，开展了化学成分、材料硬度、剥落微观形貌、显微组织、应力分析等方面的工作，最终得出循环水泵推力滚动轴承外圈疲劳剥落是由于推力轴承载荷设计过大加速生成白色“蝴蝶斑”组织启裂剥落的结论。掌握推力滚动轴承接触疲劳产生白色“蝴蝶斑”组织的机理和服役寿命，在可控的检修周期内确保 CF 循环水泵安全稳定运行，对核电厂 CF 循环水泵推力轴承选型和制定其合理的维修策略至关重要。参考文献 1 杨璋，徐雷，蒋彦龙，等核电厂循环海水泵电机共振问题快速分析 J 大电机技术，2016，45(2):29 32 2 韩宁，何升亮，车银辉，等核电厂 CF 循环水泵 IHC 唇形轴封运行可靠性分析及优化研究 J 水泵技术，2022(3):40 44 3 田刚，王克臻等核电厂循环水泵推力轴承异常磨损问题研究与处理 J 大亚湾核电，2022(2):36 39 4 焦红瑞，王峰核电站海水循环水泵推力轴承温度高的分析及处理 J 陕西电力，2016，44(2):80 82 5(美)HAIS T A，KOTZALAS M N滚动轴承分析 M(罗继伟，马伟，译)北京:机械工业出版社，2010 6 GABULOV A，ZIESE U，ZANDBEGEN H WTEM/SEM in-vestigation of microstructural changes within the white etching areaunder rolling contact fatigue and 3 D crack reconstruction by fo-cused ion beam J Scripta Materialia，2007，57(7):635 638 7 EVANS M H，WALKE J C，MA C，et alA FIB/TEM study ofbutterfly crack formation and white etching area(WEA)microstruc-tural changes under rolling contact fatigue in 100Cr6 bearing steel J Materials Science and Engineering A-Structural Materials PropertiesMicrostructure and Processing，2013，570:127 134 8 王振华滚动轴承的疲劳失效与轴承钢中的非金属夹杂物的关系 J 宝钢技术，2013(S1):42 46，48 9 TANAKA K，MUA TA Dislocation Model for Fatigue Crack Ini-tiation J Journal of Applied Mechanics，1981，48(1):97 103 10 FU Han-wei，PEDO E J，IVEA Daz del CastilloAunified theory for microstructural alterations in bearing steels underrolling contact fatigue J Acta Materialia，2018，155:43 45 11 付悍巍，崔一南，张弛，等轴承钢滚动接触疲劳研究进展 J 中国冶金，2020，30(9):13 12 班君，郑艳华，刘秀莲，等航空发动机轴承剥落分析 J 失效分析与预防，2016，11(6):377 382，390 13 刘耀中，张旭，杨柳滚动轴承的接触疲劳微观机理及影响因素 J 轴承，2015(10):53 57(本文编辑胡玉靓)(收稿日期2022 08 15)54