核电给水泵联轴器改造项目分析

陈 轲、徐 愿、宋焕宝

摘要：某核电用前置泵-电机-液耦-给水泵机组，前置泵与电机侧、液耦与给水泵侧联轴器膜片频繁断裂，通过分析断裂原因，结合其他项目联轴器改造经验，将联轴器重新选型，解决联轴器频发膜片断裂的问题，保证了机组稳定运行。

关键词：核电；膜片联轴器；膜片断裂；改造；解决方案

1 引言

膜片联轴器广泛应用于电机驱动或汽轮机驱动的泵、风机、压缩机等应用环境，膜片联轴器应用范围广泛。具有以下优点，补偿两轴线不对中的能力强，与齿式联轴器相比角位移可大一倍，径向位移时反力小，挠性大，允许有一定的轴向、径向和角向位移。无润滑，传递效率高，可达99.86%。特别适用于中、高速大功率传动。结构简单、重量轻、体积小、装拆方便。不必移动机器即可装拆（指带中间轴型式）。适应高温和恶劣环境中工作，并能在有冲击、振动条件下安全运行。

某核电站电动给水泵组由前置泵、电动机、液力耦合器及压力级泵串联布置而成，泵组排列如图1所示。压缩机常用的膜片联轴器形式为6孔或8孔双膜片联轴器。该机组一共有4台膜片联轴器。

图 1 APA主给水泵组排列图

2 联轴器损坏情况分析

2.1.1耦合器-压力机泵联轴器损坏情况

机组投入运行一年左右，设备检修发现耦合器-压力级泵联轴器在泵侧出现图2~4的断裂形式。

图 2 4#号机组第一次泵侧膜片断裂特征          图 3 4#号机组第二次耦合器侧膜片断裂特征

图 4 3#号机组膜片断裂特征

耦合器与主给水泵间机组工况为：功率 7390KW,转速 5150r/min。

故障联轴器型号为：TDH8-2900。

2.1.2耦合器-压力机泵联轴器损坏原因分析

耦合器与主给水泵间联轴器第一次损坏失效特征为：泵侧膜片 4 根拉梁全部断裂，4 根压梁呈严重屈曲失稳后，导致膜片衬套与避让孔出现磕碰；耦合器侧膜片整体无明显变形，但出现 5 处断裂。

耦合器与主给水泵间联轴器第二次损坏失效特征为：泵侧膜片整体无明显变形，但出现一定数量的断裂；耦合器侧膜片拉梁基本出现断裂现象，压梁出现一定程度的失稳张口现象。

根据上述上次膜片断裂情况，两者的断裂特征相似，拉梁裂纹基本分布在膜片组件的垫圈附近，呈现为疲劳损坏特征；拉梁断裂失效后，导致压梁过度屈曲失稳而导致压梁永久变形和断裂。另外 3#机组耦合器与主给水泵间联轴器膜片损坏同于 4 号机组膜片的损坏情况，不对中载荷略小，但同属于疲劳损坏。

从损坏的膜片看，其断裂呈现有疲劳损坏特征，由于不对中载荷(轴向不对中载荷和角向不对中载荷)过大从而导致了膜片的断裂失效。建议将停机和运行时的轴系对中精度控制在标准要求范围内，同时控制机组运行时载荷的稳定性及管道应力等附加载荷的影响、提高轴系的定位精度能力，降低轴系在运行时过度位移对联轴器的影响。

2.2.1电机-前置泵联轴器损坏

该联轴器应用的 1、2、3 号泵机组已运行一年半左右，大修期间发现3号泵组电机与前置泵之间联轴器膜片有断裂特征，1号和2号泵组电机与前置泵之间联轴器膜片存在张口特征。如下图5、6。

图 53 号泵联轴器膜片断裂特征            图 6 2 号泵联轴器膜片张口特征

耦合器与主给水泵间机组工况为：功率 7390KW,转速 5150r/min。

故障联轴器型号为：TDP6-2100

2.2.1电机-前置泵联轴器损坏原因分析

3 号泵组前置泵-电机间联轴器的膜片断裂特征见图 5，裂纹位置处于垫圈位置附近，裂纹呈法线方向断裂，初步判定该联轴器膜片为疲劳断裂失效。

其他部位存在轻微张口特征的联轴器膜片片组均为片组两侧最外侧的膜片，片组上铰制孔螺栓副的预紧影响、膜片孔与垫圈配合存在一定间隙、存在残余扭矩和不对中载荷均会导致膜片板壳挠性变形，金属挠性联轴器是通过挠性元件的板壳挠性变形来实现挠性补偿功能的，轻微张口是不影响联轴器的正常使用。

从损坏的膜片看，其断裂呈现有疲劳损坏特征，导致该联轴器膜片断裂的情况有：1、机组运行时管道应力和轴系热涨导致不对中超标；2、机组载荷稳定性不良，载荷波动较大；3、机组运行时出现异常过载的情况（如短路、抱死、制动等情况）；4、机组不对中超出联轴器补偿值；5、设备基础偏移；6、轴承磨损；7、机组轴系振动异常。

3 联轴器改造

3.1联轴器改型方案对比

从联轴器设计上来说，扭转应力、轴向应力以及旋转的离心应力的复合应力属于稳态应力，角向应力属于交变应力，然后通过修正的Goodman曲线校核疲劳强度，如下图7所示。

图7 修正的Goodman曲线

从修正的Goodman曲线可以看出，通过降低膜片的稳态应力和交变应力，可有效提高膜片的疲劳安全系数，因此为了提高联轴器运行的可靠性，建议加大联轴器的选型，提高联轴器的补偿能力，具体改型情况如下表1所示。

表1 联轴器改型情况

机组名称	改型情况	联轴器 型号	联轴器 公称扭矩（Nm）	选型系数	联轴器补偿能力
					补偿值1		补偿值2
					角向（°）	轴向（±mm）	角向（°）	轴向（±mm）
前置泵-电机	原联轴器	TDP6-2100	20000	2.04	0.167	3.8	0.67	1.9
	改型联轴器	TDP6-3300	31500	3.21	0.167	4.8	0.67	2.4
液耦-压力级泵	原联轴器	TDH8-2900	28000	2.04	0.13	2.8	0.25	1.4
	改型联轴器	TGD6-4200	40000	2.92	0.167	4.5	0.33	2.25

在同样的1.5倍使用系数和原联轴器的极限补偿值条件下，原联轴器的疲劳安全系数和改型后的联轴器疲劳安全系数如下表2所示。

表2 最小疲劳安全系数比较

机组名称	改型情况	联轴器型号	最小疲劳安全系数	提高百分比
前置泵-电机	原联轴器	TDP6-2100	1.55	58.7%
	改型联轴器	TDP6-3300	2.46
液耦-压力级泵	原联轴器	TDH8-2900	1.48	53.4%
	改型联轴器	TGD6-4200	2.27

从表2可以看到，在相同载荷下，改型后的联轴器与原联轴器相比，联轴器疲劳安全系数有了较大提高，可有效提高联轴器的可靠性。

3.2联轴器改型对机组的影响

联轴器改型后，势必会使联轴器的重量、转动惯量、扭转刚度产生变化，重量增加会导致联轴器对机组产生的附加弯矩增加，可能会造成机组振动增大的情况；转动惯量、扭转刚度的变化，会影响轴向的匹配性，具体的变化情况如下表3所示。

表3 联轴器改型后变化情况

机组名称	改型情况	联轴器 型号	主动侧附加弯矩（kg.mm）		从动侧附加弯矩 （kg.mm）		转动惯量		扭转刚度
			弯矩	变化量	弯矩	变化量	惯量	变化量	刚度	变化量
前置泵-电机	原联轴器	TDP6-2100	10223.5	+44.1%	4265.8	+46.9%	1.3122	+67.3%	4.7136	+55.2%
	改型联轴器	TDP6-3300	14736.1		6268.7		2.1964		7.3156
液耦-压力级泵	原联轴器	TDH8-2900	6183.2	-42.9%	6435.0	-43.8%	0.8623	+88.9%	4.1823	-54.7%
	改型联轴器	TGD6-4200	3528.3		3616.2		1.6294		1.8943

注：附加弯矩计算均以安装盘小端面为初始位置

从表3可以看出，电机-前置泵间联轴器由于型号变化，附加弯矩有所增加，但电机转速低，相对来说，对附加弯矩不是很敏感；液力耦合器与压力级泵间虽然联轴器重量增加，但由于安装盘采用倒装的型式，重心更靠近转子，综合下来的附加弯矩反而比之前的联轴器小，更有利于高转速应用场合，安装盘采用倒装的型式，拉长了挠性件中心距离，联轴器径向补偿能力更好，但该结构需考虑螺栓安装空间问题。

3 结论及建议

基于以上分析，联轴器改型后，传扭能力和补偿能力均增加，有效降低了膜片工作时的整体应力水平，提高了联轴器的疲劳安全系数，从而提高联轴器安全运行的可靠性。联轴器改型所引起的参数变化，需进行机组轴系方面的分析。目前已有某核电一项目其中一台液耦-压力级泵间的联轴器由TDH8-2900型号更改为TGD6-4200，目前运行状况良好。

在核电应用中，一定要时刻关注机组的运行情况，了解机组所需的关于联轴器的运行参数，例如：需刚性大或者补偿能力大，等等。关注机组运行中出现的震动、异响、窜动等情况。维护好设备及膜片联轴器。定期更换和检修设备。保证设备安全情况下运行。

参考文献

[1] 苏翼林. 材料力学[M].天津; 天津大学出版社, 2001版.

[2] 中低速叠片挠性联轴器样本，无锡创明传动工程有限公司，2011版.

[3] 高速高性能叠片挠性联轴器样本，无锡创明传动工程有限公司，2011版.

[4] 机械设计手册，机械工业出版社，2007年1月第3版.

[5] JB/T 9147－1999，膜片联轴器[S]

作者简介：陈轲(1992),男(汉)，机械工程.机械设计工程师，销售工程师，学士，从事联轴器行业