摘要：针对某核电厂1号机组发电机轴承乌金面起泡的问题，阐述了轴承合金面产生氢起泡的机理。通过对轴承制造加工中的关键工艺流程和运行环境进行分析，得出了轴承合金面产生缩孔的原因和原子态氢的来源。据此制定了相应的修复方案及预防措施，可为同类故障设备的修复和评估提供理论和现实依据。
关键词：氢起泡；轴承；锡基合金；去氢热处理；内氢；缩孔
轴承是汽轮发电机组的重要组成部分，其工作状况直接影响到机组的安全和经济运行。轴承乌金表面随机分布破裂或未破裂的气泡称之氢起泡，是滑动轴承常见损坏故障之一，会导致轴承表面乌金破裂，甚至造成乌金与轴承体脱落，烧瓦伤轴。本文通过对某核电厂1号机组汽轮发电机7号轴承上半乌金面出现氢起泡的问题进行分析，提出了针对该类问题产生的机理、处理方法与预防措施。
一、问题描述
某核电厂1号机组首次大修（101）时对发电机7号轴承进行解体检查发现，其上半轴瓦乌金面存在起泡现象，起泡凸出于乌金面，起泡高度约0.5～2.0 mm，大小不一呈出汗状，直径较大的汽泡数量较少仅为一颗，其面积约为10 mm×6 mm（长×宽），现场对乌金面进行渗透和超声波检查，未发现起泡部位存在线性显示和脱胎现象。为了彻底消除起泡现象，将轴承返回制造厂进行处理，鉴于仅7号轴承上半存在起泡现象非共模问题，因此对起泡部位乌金进行修刮平整后进行渗透和超声波检测均合格。
某核电厂1号机组第2次大修（102）中解体7号轴承发现，起泡现象依然存在与首次大修类似，且在乌金面上分布的位置与首次大修相同，数量明显减少，起泡高度约0.5～1.0 mm，最大起泡面积约为7 mm×3 mm，故障情况详见图1。
图1 某核电厂101/102大修中7号轴承上半轴瓦乌金面起泡现象示意图
二、发电机轴承结构介绍
某核电厂机组发电机采用端盖轴承结构（图2），即轴承与密封支座都装在发电机端盖上，该结构具有轴向跨距短、支撑刚度高的特性，且轴承中心线距机座端面较近，使端盖在支承转轴质量和承受机内氢压时的变形量小，保证了机组可靠的气密性。
轴承为椭圆水平中分式轴承，上下半轴瓦通过锥销定位后用螺栓连接，运行状态下下半轴承与转子间形成油膜，由油膜支撑转子，转子与轴承不直接接触；上半轴承提高转子和轴承的稳定性，限制转子的径向跳动；转子旋转的同时，温度低的油流流经上半轴承内圆，可以冷却转子。轴承壳体为铸铁件，内圆加工燕尾槽，轴承乌金面（锡基巴氏合金）采用离心浇铸工艺直接浇铸在轴承体燕尾槽中。
图2 发电机轴承示意图
三、轴承乌金面氢起泡机理
3.1 氢起泡产生的理论描述
氢起泡是由原子态氢扩散至金属内部，在金属内部的微孔或空腔中聚集形成氢分子，由于氢分子不能在金属内部进行扩散，持续生成的氢分子在空腔中聚集形成氢压，当氢压逐渐增大超过材料的屈服强度时，使金属产生局部变形起包凸起[1]，产生氢鼓包。氢压继续升高，起泡前端的应力集中与原子键合力相等后就会使起泡开裂形成裂纹，一旦开裂，体积增大氢压下降，氢致裂纹止裂。
产生氢起泡的原子态氢的来源主要分为内氢和外氢，前者指在冶炼或加工制造过程中吸收的氢，后者指在服役环境介质中含有的氢，如在湿硫化氢环境下由电化学反应产生的氢离子或在含氢环境中分解成氢离线在金属表面得到电子形成原子态氢，渗透进入金属内部。
3.2 轴承乌金面发生氢起泡的机理
结合氢起泡产生的机理，轴承乌金面发生氢起泡需满足2个条件：①产生原子态的氢；②轴承合金内部存在缩孔或空腔。
若上述条件都满足的情况下，轴承乌金面产生氢起泡的机理可描述为：轴承壳体铸铁件中残余氢，由于氢浓度梯度的存在，氢将随时间的推移向低浓度的轴承合金侧区域进行扩散，在轴承乌金中存在的微缩孔和微裂缝空腔中析出氢，由于氢分子不能扩散，持续生成的氢分子导致氢压升高，因轴承乌金强度低，乌金将被局部拉伸（图3），在轴承乌金面隆起形成起泡。起泡通常位于轴承合金的较薄部分。可通过对轴承结构、制造工艺和运行环境的分析，查找原子态氢的来源和乌金面产生缩孔或空腔的原因。
图3 滑动轴承氢起泡示意图
3.2.1 氢的来源分析
某核电厂汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即定子线圈水冷却，转子与定子铁芯氢气冷却，正常运行时发电机的内部氢压为5.2 bar（1bar=105Pa），轴承与密封支座安装在发电机端盖上。密封油系统可防止发电机内部氢气从转子与发电机壳体间的缝隙泄漏（氢漏量标准≤18m³/天）。机组正常运行时，空侧密封油和氢侧密封油各自独立供油，分别由不同油槽抵达密封瓦后，以相反的方向分别向氢气侧和空气侧排出（图4），最后回到独立的油箱。
在设计上，轴承处于空侧回油腔室，理论上其服役环境中不含有氢，但机组运行期间空侧和氢侧密封油存在微小压差，使空侧密封油中含有微量的氢气，这部分氢气通过系统中的排风机排至大气中，同时通过回油管线上发电机氢气供应系统（GRV）的漏氢检测探头GRV1001MG监视机组运行期间回油中的含氢量。调取机组2个运行周期内GRV1001MG的参数，探测到回油含氢量仅为0.01%。另外，同类机组的发电机轴承和密封装置，目前某核电厂和同类型核电站在役机组共7台，已经过12次大修，除该核电厂1号机组发电机7号轴承上半乌金面存在起泡外，其余轴承乌金面状态良好并未出现氢起泡现象，说明轴承服役环境中的含氢量不足导致了氢起泡，排除外氢造成的氢起泡现象。，
因此，导致氢起泡的氢主要来源于内氢，内氢的产生是由于轴承壳体为铸铁件，由铁熔炼浇铸而成，在熔炼过程中水受高温分解成氢残留在组织内形成内氢。另外，焊接、酸洗、电镀等工艺及阴极析氢反应均可使材料内部形成内氢。
图4 密封瓦结构示意图
3.2.2 轴承乌金面产生缩孔分析
锡基合金（ZSnSb11Cu6）的结晶[2]过程主要分为4个阶段：第1阶段，合金从浇注温度冷却到液相线，这时合金为单一的液相；第2阶段，合金在350～380℃析出星状和针状初晶体Cu6Sn5，在250～270℃析出二次晶体SnSb，在241℃锡基固溶体开始凝固；第3阶段，锡基固溶体的凝固223～241℃，固溶体的凝固会引起合金体的收缩；第4阶段，已完全凝固的合金从较高温度冷却到室温，合金体积发生收缩，轴瓦铸件内部会产生较大的内应力。
从4个阶段可发现，在锡基合金结晶过程的第3、4阶段，固溶体凝固会引起合金体收缩，如无合金液补充，就可能会在合金内部及合金与轴承壳体结合面产生缩松或缩孔。
地、轴承氢起泡缺陷的修复
通过对轴承乌金面产生氢起泡的机理分析可知，氢起泡的大小表征了氢起泡部位内部氢压大小和缺陷发生的位置。对于尺寸较小（依据起泡部位的面积或起泡直径）的氢起泡，因其内部氢压小易产生于近表面部位，在氢起泡部位及其周围区域不产生或产生较小的应力集中；而尺寸较大的起泡，因其内部氢压高，常发生于乌金面中部或轴承壳体与乌金的粘结层，随氢压的持续升高在起泡部位产生较大的应力集中。因而，发生氢起泡的轴承乌金面是否存在脱胎和裂纹现象是制定维修方案的重要依据。
综上分析，对某核电厂1号机组发电机轴承的氢起泡按如下方案进行修复：
（1）较小起泡缺陷部位，因其发生在近表面不存在应力集中，乌金表面结构强度未受影响，对起泡部位打磨修刮，进行渗透和超声检测，确认起泡部位无裂纹和脱胎。
（2）较大起泡缺陷部位，通过挖除进行去应力处理和并放氢后，重新补焊乌金，并补焊部位渗透和超声检测，确认无裂纹和脱胎。
（3）修复后对整个轴承乌金面进行无损检测，未发现异常，缺陷全部处理完成。
五、预防建议
（1）提高热处理工艺消除内氢
轴承内氢的消除主要采用去氢热处理工艺，由于内氢是以原子或分子状态分布在钢中，只有采用分子热运动学理论，制定合理升温、保温、冷却方式，能使钢中氢向表面扩散，达到去氢目的。
目前轴承铸件的去氢热处理分为630℃去氢工艺和930℃去氢工艺2种，前者采用炉冷，冷却速度慢，铸件产生再次吸氢过程较长，致使去氢效果变差；后者采用空冷，冷却速度快，铸件产生再次吸氢过程较短，去氢效果好。因此在去氢工艺上，建议采取温度为620～650℃、保温时间为20～60 h的氢扩散退火，使组织中的残留氢扩散逸出从而保证设备性能。
（2）控制轴承乌金浇铸工艺
在轴承乌金浇铸工艺上采用离心浇铸，这是由于离心浇铸工艺浇铸，在液态乌金凝固后，晶粒之间存在细小的缝隙，在离心力的作用下，液态乌金沿径向向外移动填充了这些缝隙，形成一种空间的“补隙”运动，由于这种运动沿半径增大方向进行，离心力越大克服缝隙阻力的能力越强，补隙运动剧烈，缩松减少，致密度增高。
在合金冷却凝固时，先冷却轴瓦外表面创造一个由轴承壳体外壁到乌金粘合层再到乌金层内表面的冷却顺序，采用此冷却顺序可避免乌金层内部出现缩孔，改变合金的凝固方向，使合金从钢体向上顺序凝固，提高乌金层内表面层结晶组织均匀性，有利于减少合金层中缩孔。
（3）运用金属磁记忆对氢起泡检测和评定
对于氢起泡缺陷危害性的评价，并不仅限于其宏观的缺陷形式。氢起泡是否破裂、起泡区域应力集中情况，都会影响设备安全状况评定。利用金属磁记忆技术[3]，通过磁记忆诊断结果的磁场梯度K值，可有效反映氢起泡及其周围区域存在的应力集中情况，对常规无损检查方法发现氢起泡缺陷的部位，但磁记忆检测未发现应力集中，表明结构强度未受影响，氢起泡不会扩散，不用进行去应力处理，可依据行业标准（如对轴承可以依据《汽轮发电机合金轴瓦超声波检测 DL/T 297—2011》，对压力容器按《压力容器定期检验规则》中的分层缺陷评定设备的安全状态等级）进行消缺处理和判定；若存在应力集中，应进行相应的消缺，同时进行去应力处理。
六、结束语
轴承乌金在浇铸过程中产生缩孔或缩松、轴承壳体铸件内残余的原子态氢是导致轴承合金面发生氢起泡的主要原因。
通过轴承合金面产生氢起泡的形成机理的分析，得出发生氢起泡的轴承乌金面是否存在脱胎和裂纹现象是制定维修方案的重要依据，采取打磨修刮、挖除补焊、起泡放氢、缺陷部位进行加热脱氢及去应力处理等修复方式，对轴承合金内表面裂纹和近表面的起泡进行修复。结合上述修复措施，对某核电厂1号机组发电机7号轴承轴承合金面氢起泡进行修复后，设备运行至今状态良好、运行参数稳定，对汽轮发电机轴承同类缺陷的原因排查和处理具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 张恒．氢起泡产生的机理及防治措施的研究综述[J]．制造自动化，2014（9）：23.
[2] 夏渭江．动压轴承巴氏合金层浇铸工艺研究[J]．科技资讯，2008（25）：53.
[3] 任吉林，林俊明，任文坚，等. 金属磁记忆检查技术研究现状与发展[J]．无损检测，2012，34（4）：3-10.
论文作者:周党锋,周功林
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/14
标签：轴承论文; 乌金论文; 合金论文; 核电厂论文; 机组论文; 缩孔论文; 发电机论文; 《电力设备》2019年第11期论文;