1000MW级压水堆主泵推力轴承国产化综述

1000MW级压水堆主泵推力轴承国产化综述

徐振宇 1,2，于琦 2，韩涛 2，周鹏飞 2，刘丽斌 2

（ 1.大连海事大学，辽宁大连 116000； 2.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039）

摘要：核主泵是核岛三大设备中唯一未实现国产化的设备，核主泵推力轴承是核主泵中承受全部轴向力的核心部件，本文通过对现有核主泵推力轴承的整理分析，结合可倾瓦推力轴承基础理论，介绍主流1000MW级核主泵类型、推力轴承摩擦副材料、基础参数与支点角度位置、轴承性能、高压油顶起计算方法等，为核主泵轴承配套提供依据。

关键词：核主泵；推力轴承；AP1000；华龙一号

Review on Localization of Thrust Bearing of 1000MW PWR Main Pump

XuZhenyu^1,2, Yu Qi ²,Han Tao²,Zhou Pengfei²,Liu Libin²

(1. Dalian Maritime University,Dalian116000, China；2.Luoyang Bearing Research Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

Abstract:Nuclear main pump is the only one that has not been made in China among the three major equipment in the nuclear island. Dynamic thrust bearing of nuclear main pump is the core component that bears all axial forces in the nuclear main pump. In this paper, through the arrangement and analysis of the existing thrust bearing of nuclear main pump, combined with the basic theory of tiltable thrust bearing,The main 1000MW nuclear main pump type, thrust bearing friction pair material, basic parameters andfulcrum Angle position, bearing performance, high pressure oil jacking calculation method and other issues were studied, was established to provide the basis for the nuclear main pump bearing matching.

Keywords: Nuclear Main Pump; Thrust Bearing;AP1000; Hualong One

0 引言

核反应堆主冷却剂循环泵，是核电机组唯一尚未实现国产化应用的设备，其作用像核岛的心脏^[1]。推力轴承是其中承受全部轴向力的核心部件，含上轴承和下轴承，具有转速高、载荷大，可靠性、安全度要求高，需要满足无顶油惰转要求等特点，核主泵推力轴承是推力轴承领域的巅峰产品。国内目前已建和在建的核电机组，均使用国外推力轴承。

国内相关文献中对核主泵推力轴承的研究，大多为试验型，就干摩擦磨损情况论述性能，或者就某一材料某一点进行论述，难以看到主泵推力轴承的全貌，缺乏主泵推力轴承设计较为全面的信息。

本文通过对现有核主泵推力轴承的整理分析，结合滑动推力轴承基础理论，综述核主泵推力轴承的关键问题。

1 主流主泵类型与轴承摩擦副

1.1屏蔽泵

西屋公司的三代核电堆型AP1000采用屏蔽主泵，最大特点是无轴封，零泄漏，缺点是飞轮浸水，设计半流量惰转时间仅5秒，且泵效率相对低，其推力轴承采用水润滑，设计寿命60年无需维修^[2]。AP1000的主泵下飞轮同时为推力盘，材质为重金属钨合金^[3]。其水润滑的推力瓦摩擦面使用碳纤维增强复合材料(peek聚醚醚酮，ppesk含二氮杂萘酮结构的聚芳醚砜酮)。这种碳纤维增强材料与钨基硬质合金组成的摩擦副，是国内提高推力轴承SBO（全厂断电）工况耐磨损能力的研究方向之一^[4]。

1.2轴封泵

国产三代机组华龙一号首堆使用奥地利安德里茨（andritz）集团的轴封泵，推力盘材料使用镍基合金，推力瓦摩擦面使用巴氏合金，油润滑，从上往下依次为推力轴承、电机、轴封、叶轮。相比新型屏蔽泵，其飞轮体积和转动惯量更大^[5]，SBO工况下可以提供相对更长时间的惰转流量。防城港华龙一号机组使用124D主泵半流量惰转时间约15秒，惰转时间显著长于屏蔽泵。但轴封泵由于轴封处不可消除的LOCA（失水事故）风险，理论安全性不如屏蔽泵。

1.3湿绕组主泵

正在研发的国产CAP1400堆型湿绕组主泵，其推力轴承为水润滑，浸没在电动机腔里，工作条件更为苛刻。某合资厂的湿绕组主泵使用kingsbury轴承，瓦面为碳纤维增强碳^[3]，镜板为镍基合金。

2瓦面材料选型

洛阳轴承研究所基于几十年的推力轴承设计制造经验，进行了大量试验筛选，即使同类材料，不同工艺制造的摩擦副性能差异巨大。但优选巴氏合金和碳纤维增强复合材料，前者已经几十年服役检验，后者具备良好的干摩擦性能。

2.1巴氏合金

固相点温度为240 °C，液相点370 °C，最高使用温度100 °C，摩擦系数在有油时为0.005，无油时为0.15-0.28，硬度HB为30，极限载荷为4-6MPa/mm²。使用离心浇铸加精铣工艺制造，核主泵轴承巴氏合金层厚度通常为几毫米。

2.2青铜复合聚四氟乙烯

青铜和聚四氟乙烯制成的金属塑料，适用于水温不超250℃、压力不大于 3MPa、滑动速度不高于12.5mps的工作环境中。制造时瓦基铺一层铜粉，喷涂聚四氟乙烯。但大尺寸加工困难，难以保证质量，能承受的最大压强偏低。

2.3碳纤维增强（CFRP）聚四氟乙烯

纯聚四氟乙烯（PTFE）尺寸稳定性差，耐磨性差，而加入碳纤维填充剂可以改善其摩擦性能，通过混合、压制、烧结、加工工序获得产品，硬度可提高约10%-30%。CFRP轴承通过“磨削-填充”作用^[6]，可将CFRP材料与镜板间的摩擦，转变为CFRP一种材料之间的摩擦，从而在长期干摩擦运行时能降低摩擦副的磨损量^[7]。

2.4 碳纤维复合聚醚醚酮

聚醚醚酮是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，有研究人员对其与巴氏合金小型推力瓦块的性能进行对比^[4]，认为其无顶油惰转工况性能优于巴氏合金。

2.5 TF30工程塑料（聚甲醛）

聚甲醛是一种高结晶聚合物，其优良性能有低摩擦系数和几何稳定性，尺寸精度高，表面光滑、吸水性小、耐磨、强度高、耐油等特点，是塑料原料中力学性能接近金属的品种之一，其抗拉强度、弯曲强度、耐疲劳强度，耐磨性和电性能都十分优良。可在-40摄氏度至100摄氏度之间长期使用。电绝缘性，几乎不受温度和湿度的影响，适合用于轴承。

3球头支撑推力瓦参数

L-瓦块中径周长 R_c-支点半径位置 α-瓦块包角 α_c-支点角度位置 h₁-进油边间隙h₂-出油边间隙

B-瓦块宽度

图1 最佳支撑点

Figure1 Optimal point of support

现有核主泵推力轴承的支撑机构有两种，一种“搭接”平衡块，瓦支撑为线接触，轴承实际有三层，并需要弹簧预紧^[8]，结构相对复杂，且尺寸较大。另一种为球头支撑块，结构相对简单，瓦支撑为点接触，安德里茨主泵使用的米歇尔轴承^[9]即为这种结构。

球头支撑推力瓦制造难度相对小，结构更简洁可靠，下文以其为例介绍推力瓦基础参数。

3.1基础参数与瓦块支撑点位置

单向旋转的推力轴承，瓦块基础参数、使承载能力最大的瓦块支承点位置和最佳间隙比见图1。

实际计算中，通过以下方式获得支点半径位置R_c和支点角度位置α_c^[7]

瓦平均直径

(m)

式中： 为瓦块内径，m； 为瓦块外径,m。

支撑点半径位置

(m)

内外径比 / 值大和包角α值小时，系数取较大值，反之取较小值。

瓦块包角 （见图5）

(°)

支点角度位置

　(°)

式中 为支点角度位置数，查图2确定。

图2 角度位置数α_c ^[10]

Figure2 Angular position number

3.2轴承性能计算

在瓦块内外径已经确定的情况下，瓦块宽度（见图1）

　（m）

优选瓦平均直径周长L= B时承载能力最大。

最小油膜厚度

(m)

式中： 为最小油膜厚度数，查图3

L为瓦块中径周长,m；Z为瓦块数，根据现有应用实际大型核主泵轴承优选8块；B为瓦块宽度，m；η为润滑油运动粘度，Pa·s；D_m为瓦平均直径，m；n为泵转速，r/s；F为轴承总载荷，N。

总平均流量

（m³/s）

式中 为总平均流量数，依据内外径比和瓦块包角查图4定。

图3 最小油膜厚度数h₂ ^[10]

Figure3Minimum oil film thickness

图4 总平均流量数q_m ^[10]

Figure4 Total average flow

4高压油顶起计算

瓦块表面的凹坑称为油室，凹坑四周称为封油面（可按等同于瓦块面积计算），封油面与油室的组合称为油垫。使用恒压力供油时，油垫间隙减小则节流器出口压力增高，使间隙不同的油垫获得不同的油室压力，驱使各个瓦块油垫的间隙趋向一致。因此，恒压顶油系统性能主要取决于节流器。

华龙一号首堆使用的安德里茨主泵，顶轴油腔开在下轴承瓦块上，转子质量为Q=21158.37kg，转子重力F=207352.4N，在停车密封不投运、无顶油、转子静止状态下，高压水介质系统压力达到3.245MPa时，系统压力可使转子处于悬浮状态。高压水介质压力为零时，顶轴油压强在0.6Mpa左右，即可将转子顶起。

以单孔单环形油室为例说明其计算体系，已知：最大载荷F_max（转子重力），N；瓦块外径D₀，m；内径D_i，m；油腔外径D_oc，m；油腔内径D_ic，m；转子转速n，r/s；瓦块表面粗糙度R_a=0.4；小孔节流器（图5）。要求推力盘位移率 ，最大位移 （仅为示例，大于定值顶轴力过大，上轴承瓦块将处于干摩擦承载状态）。

计算方法如下：

压力比 定义为

式中 p——通过节流器后进入油腔时的压力。

P_s——油从油泵进入节流器时的压力

压力比越小，承载油膜刚度越高。

设计状态下压力比记作 ，有

常用范围0.4-0.7，对于小孔节流，选 时油膜刚度最大。

压力比因子

最大载荷下压力比

式中 为位移率，油垫载荷为最大值时， 取到最大值0.4

载荷数

轴瓦尺寸参数

；

有效承载面积

（m²）

供油压力

(MPa)

实际载荷数

图5 小孔节流器

Figure5 Pipe small hole throttle

最大位移率

表面粗糙度参数等同于R_a值，0.4μm，

油膜厚度极小值

设计间隙

(μm)

最大位移

(μm)

刚度数

流量数

摩擦面积

(m²)

预选功耗比

瓦平均直径

(m)

平均线速度

(m/s)

润滑油计算粘度

(Pa·s)

油腔压力

(MPa)

设计状态流量

(m³/s)

油泵功耗

(W)

顶油摩擦功耗

(W)

实际功耗比

5结束语

主泵推力轴承国产化的研究方向较为明确，其一是华龙一号的轴封泵类型，路线是实现国外已经几十年服役检验的油润滑推力轴承的国产化。其二是类似AP1000，以及正在研发配套CAP1400的水润滑轴承，要解决启停阶段磨损及瓦面粗糙度劣化后的安全运行等关键问题，仍需进行大量的基础理论研究和试验验证积累。

参考文献：

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[9]Michell. MichellBearing[EB/OL].

http://www.michell.com/uk/.2020

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