AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承的安裝

陳淼鑫，黃小強，吳志遠

(國核工程有限公司，上海 200233)

關節軸承一般用于低速下的擺動運動、傾斜運動和旋轉運動，在工程機械、車輛船舶、礦山冶金、航空航天、印刷紡織等各領域均有廣泛應用[1-4]。關節軸承的潤滑主要包括自潤滑、液體潤滑和脂潤滑[4]，文中介紹一種第3代核電技術AP1000核電站蒸汽發生器支承用自潤滑關節軸承，重點介紹其安裝難點和安裝方法。

1 AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承

核電站蒸汽發生器(Steam Generator，SG)是將反應堆的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備。第3代核電技術AP1000采用2臺典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U形管自然有2組互為90°布置的4個輔助支承，分別是2個循環蒸汽發生器。在每個蒸汽發生器的中、上部中部側向支承和2個上部側向支承;蒸汽發生器下部還有1組側向支承，其結構布置如圖1所示[5]。

1—蒸汽發生器垂直支承柱；2—反應堆冷卻劑泵與冷管段的接管嘴；3—蒸汽發生器中部側向支承；4—蒸汽發生器；5—蒸汽發生器上部側向支承；6—蒸汽發生器水室下封頭組件；7—蒸汽發生器下部側向支承；8—反應堆冷卻劑泵；9—支承柱底卒錨固件

AP1000蒸汽發生器支承“金雞獨立”的特殊結構與以往的壓水堆核電站完全不同，因而在支承件零件的設計上也與眾不同，在蒸汽發生器的下、中、上部側向支承組件中都引入了自潤滑關節軸承。這些關節軸承屬于核安全相關物項，設計要求關節軸承的靜、動態摩擦因數不能超過0.15，能夠自由轉動，使支承件能夠適應反應堆啟動和停堆時蒸汽發生器的正常膨脹和收縮。關節軸承在AP1000核電站60年壽命期限內必須保持物理上的完整性。

AP1000蒸汽發生器支承中不同部位的關節軸承尺寸不同(表1)，但結構完全相同(圖2)。以型號為SPB-LLS的關節軸承為例，其外圈材質為ASTM A747 CB7Cu-1 (17-4PH) H1025鐵鉻鎳銅耐腐蝕沉淀硬化不銹鋼，為雙半剖分外圈結構，通過316不銹鋼內六角螺釘連接；內圈材質為ASTM B505-C96900 TOUGHMET 3CX105銅鎳錫合金，外球面上均勻分布深度至少為6.3 mm的圓柱形凹槽，每個凹槽都與球面垂直，凹槽內裝有圓柱形的固體潤滑劑。固體潤滑劑的成分為高純度核級石墨(碳的質量分數為99.9%以上)，成分中不含粘合劑，硫、鹵素或其他灰分的質量分數不超過100×10-6。鑒于固體潤滑劑的形狀和成分，也可稱之為石墨柱或石墨塞。為能夠充分的潤滑，分布在內圈外球面上的全部石墨柱占整個內圈外球面面積的40%以上，石墨柱必須高出內圈外球面0.25～0.38 mm。

表1 AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承型號和主要設計參數

圖2 關節軸承結構示意圖

從上述結構和材質可以看出，AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承具有以下特點：

1)采用自潤滑設計，結構簡單。使用固體潤滑劑，無需開油槽、油孔，加工制造相對簡單[6]。軸承端面沒有密封圈，避免了關節軸承在使用過程中出現密封圈帶轉、不貼合、脫落、卡死、反咬等質量問題[7-8]。

2)潤滑劑鑲嵌在內圈外球面。目前大多數自潤滑關節軸承是在外圈的內球面粘貼一層自潤滑襯墊層[1,9-10]，襯墊材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)纖維、碳纖維、高性能聚乙烯纖維等纖維材料織物[10]。而AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承不使用襯墊，直接將固體潤滑劑鑲嵌在內圈的外球面，不用擔心因粘接工藝不良導致襯墊層剝落或滑出[9,12]。此外，與將固體潤滑劑鑲嵌在外圈內球面的設計[4,13]不同，AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承是在內圈外球面上加工鑲嵌凹槽，制造相對簡單。

3)工作溫度高、潤滑劑穩定、免維護。當關節軸承的滑動面材料配對為鋼-鋼時，其容許的工作溫度取決于潤滑劑的容許工作溫度，AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承的潤滑劑采用高純度石墨，設計的工作溫度可以達到426 ℃，遠高于聚四氟乙烯的工作溫度(200 ℃左右)。另一方面，石墨穩定性和耐輻照性能好，在反應堆γ射線和中子的長期照射下，不會產生其他有害物質，非常適合核電站的運行工況。在關節軸承轉動時，由于石墨和銅鎳錫合金膨脹系數的差異，石墨可以涂覆在內外圈之間，形成自潤滑的接觸面，在核電站60年的設計壽命內無需維護。

2 關節軸承的安裝

2.1 安裝難點

AP1000蒸汽發生器支承用關節軸承與軸承座孔為過盈配合，兩者之間的設計過盈量為0.03～0.15 mm。關節軸承的安裝難點主要有以下幾個方面：

1)由于是過盈配合，一般采用加熱軸承座孔或者液氮冷卻軸承的方法安裝。而AP1000蒸汽發生器支承不允許加熱，關節軸承不允許采用外力強行安裝，也禁止使用液氮冷卻。產品供應商明確要求此關節軸承只能用干冰冷卻后裝入支承件座孔內，采用干冰冷裝法的冷縮量要比采用液氮冷卻的小一些，國內很少使用此方法，安裝單位也是第一次實踐。

2)關節軸承冷縮后與支承件座孔之間的間隙至少需要0.05 mm才便于安裝，而部分關節軸承雙半外圈的拼接處可能由于運輸不當存在細微“錯邊”，增大了冷裝的困難，如果不進行調整，安裝過程中可能會出現卡死。

3)根據安裝前的冷縮試驗數據，關節軸承在干冰中冷卻6 h后取出安裝，外圈外徑變化較快，5 min內的冷縮量為0.12～0.20 mm，5 min后冷縮量變化不穩定，不能滿足安裝要求。而大尺寸關節軸承的安裝需使用行車起吊，必須在短時間內完成安裝，安裝難度大。

2.2 應對措施

針對上述安裝難點和風險，安裝單位復測了蒸汽發生器支承件上軸承座孔的尺寸；另一方面，關節軸承供應商和安裝單位均對關節軸承外徑現場復測，重點關注關節軸承雙半外圈拼接處的外徑，對于尺寸超差的關節軸承，供應商現場對關節軸承重新拆裝進行調整。通過尺寸復測和必要的調整，可以在設計允許的范圍內合理優化關節軸承和支承件上座孔的配對，增加軸承冷縮后的安裝間隙，降低安裝難度。

其次，安裝單位改進了冷卻工藝，關節軸承經聚乙烯塑料布包裹后，直接與干冰接觸，同時延長冷凍時間，由此前的6 h延長至24 h。工藝改進后再次進行了冷縮試驗，試驗發現冷縮量有所增加，冷縮試驗測量數據見表2。由表可知，關節軸承從干冰中取出后的5 min內尺寸較為穩定，安裝應控制在此時間內完成；冷縮試驗數據表明，尺寸大的關節軸承其冷縮量也較大。

表2 關節軸承在冷卻24 h后，從干冰中取出的不同時間內外徑收縮量數據

此外，安裝單位改進了安裝工裝，便于工人對中和調整，同時對安裝過程進行模擬演練，控制安裝時間。

2.3 安裝要點

為了確保AP1000蒸汽發生器支承關節軸承順利安裝，在試驗、工裝和工藝改進的基礎上，安裝單位編制了安裝規程，安裝要點如下：

1)安裝前確認關節軸承潤滑表面和配合面無損傷，用丙酮、干凈白布將支承件座孔、關節軸承清理干凈，所有裝配面不允許有任何的碎屑和雜質。

2)將關節軸承與起吊工裝裝配在一起，并一同置于干冰儲存箱中冷卻，冷卻時間不少于10 h(后續實踐表明，大多數關節軸承在冷卻10 h后已基本滿足安裝要求)。

3)關節軸承充分冷縮后，開箱、起吊關節軸承，迅速復測冷縮后關節軸承的外徑尺寸，計算實際配合間隙，若關節軸承冷縮后與座孔的安裝間隙小于0.05 mm則停止安裝，重新放入干冰存儲箱中繼續冷卻。

4)將滿足安裝要求的關節軸承與對應的支承件座孔進行裝配。每套關節軸承的安裝應控制在5 min以內(關節軸承從吊離干冰儲存箱至裝入支承件座孔的時間)。

5)關節軸承裝入支承件后，在常溫下放置2～3 h后，拆除起吊工裝。

由表2數據可知，關節軸承從干冰中取出后30 s內，冷縮量最大。但為了降低安裝風險，實際安裝前先對軸承外徑進行尺寸測量，再次核驗軸承冷卻后安裝間隙是否滿足要求。尺寸復測時間大約需要15 s左右。

為確保萬無一失，制定了應急措施和預案。對于安裝間隙偏小的情況，在安裝過程中可用銅棒輕微敲擊工裝，以利于關節軸承找平找正，使軸承與座孔間隙趨于均勻。安裝前除了加強對支承件座孔的清潔工作外，對前一次安裝失敗在座孔內壁留下的黑點(硬點)位置進行標識后，在確保座孔尺寸在設計公差范圍內的前提下，用砂紙和油石對黑點處輕微打磨，同時去除座孔邊緣毛刺及凸點。關節軸承安裝時，行車、起重工應隨時待命，若裝配出現卡緊，應迅速將軸承取出。如果行車無法取出，應迅速將支承件翻轉，用木槌敲擊關節軸承起吊工裝，將關節軸承取出。

基于制定的安裝規程，在良好的準備和預防措施下，所有關節軸承都得以安裝，安裝時間大都控制在3 min以內。

3 結束語

第3代核電AP1000蒸汽發生器支承使用了特殊結構的自潤滑關節軸承，該關節軸承采用鑲嵌在內圈外球面的石墨柱作為潤滑劑，具有結構簡單、工作溫度高、潤滑劑穩定、無需維護等優點。關節軸承采用了干冰冷裝法，在國內核電設備制造/安裝企業尚屬首次，干冰冷裝法存在冷縮量較小、安裝時間窗口有限制等難點，安裝前應做好充分準備，包括尺寸復測、冷縮試驗、工裝和工藝改進、制定應急預案等。