AP1000主泵安裝關鍵技術研究與工程應用

胡國峰

(國核工程有限公司，上海 200233)

主泵作為核電站一回路系統的重要精密設備，擔負著為一回路堆芯提供足夠的冷卻劑流量并保證堆芯的裂變熱量能夠導出到蒸汽發生器的作用。在核電站建設過程中，主泵的正確安裝對核電項目的建設、投產以及電廠的正常運行都具有重要意義。對于AP1000主泵的設計，有學者進行過研究[1]，對于AP1000主泵的安裝，也有學者進行過介紹[2-4]，但均未涉及關鍵技術。

AP1000作為美國西屋電氣公司設計的第三代先進非能動型壓水堆核電堆型，其主泵相對CPR1000型主泵有較大差別。AP1000主泵是由美國EMD公司制造的無密封、單級、7葉片高慣性、離心屏蔽泵，每個環路的蒸汽發生器下封頭處焊接了2個主泵泵殼，如圖1所示[5]。這種泵在設計上具有明顯的優點，例如屏蔽泵的電機在下、泵在上，有利于減小屏蔽泵的尺寸，能夠滿足主泵對大流量的要求，同時具有全壽期內免拆卸和維修的優點。

AP1000主泵的安裝過程從開箱開始，到接線盒安裝結束，步驟繁多。在整個安裝過程中，激光測量、主泵頂升和主泵水平運輸至泵殼為關鍵技術。

圖1 AP1000反應堆冷卻劑回路示意圖

筆者結合工程建造實踐，在現場對安裝方案進行了較為深入細致的研究，并將其結果用于現場安裝，取得了良好的效果。

1 測量技術

在主泵的安裝過程中，各個安裝部位間隙較小，大部分間隙在0.5～1.0 mm，且由于安裝空間狹小,不僅測量方法受限，測量難度也很大。在吸入適配器與泵殼的安裝過程中，采用了激光測量及三維建模的方法，有效保證了安裝精度。激光測量儀器為FRO公司的ION激光跟蹤儀，軟件為New River Kinematics。

圖2為泵殼內部結構示意圖，吸入適配器與泵殼之間的安裝間隙為0.76 mm，在吸入適配器頂升進入泵殼后，采用常規測量方法無法觀測兩者之間的相對關系，更無法進行間隙測量。為此，在安裝現場對吸入適配器的關鍵尺寸選點(如圖3所示)，進行測量并建立三維模型。其中選取點數為頂法蘭端面圓20個點、頂法蘭端圓柱30個點、本體內圓柱40個點、面向葉輪圓柱30個點、面向擴散器圓柱40個點、底面外圓15個點，在整個測量過程中要保證誤差不超過0.15 mm。

圖2 泵殼內結構示意圖

在將吸入適配器放上頂升裝置后，首先要確定需要頂升的高度。在頂升過程中，要保證頂升裝置、吸入適配器與泵殼的中心保持一致，并在頂升裝置上選擇4個點進行標高測量，激光測量儀器實時監測其中任意2個點的標高偏差，使其不超過0.2 mm。在到達頂升高度后，對底面外圓的15個點進行復測，并將數據代入在開始階段建立的三維模型，以確定吸入適配器與泵殼的安裝是否滿足設計要求。

圖3 吸入適配器測量部位示意圖

2 主泵頂升

如圖4所示，AP1000主泵作為倒立式主泵，主泵在下，泵殼在上，安裝時需要將下部主泵逐漸頂升就位。在頂升階段后期，主泵進入泵殼后不僅難以觀察空間關系，而且還要滿足同軸度偏差±0.32 mm、角度偏差±1.52°、平行度偏差±1.52 mm的設計要求，頂升難度較大。

圖4 AP1000主泵示意圖

2.1 主泵頂升油缸布置

AP1000主泵頂升系統選用ENERPAC公司進口產品，型號為SLCOO8502E3440SW，系統主要由8個承載能力為50 t、行程為50 mm的雙作用油缸和電動液壓泵站組成。根據小車的結構特點，在布置油缸的頂升位置時，需在小車4個支撐立柱的兩側各布置1個油缸，且油缸還應以立柱中心為圓心，同時油缸需留出空間以便立柱下方行走滾輪回轉。總的原則是，油缸在不影響行走滾輪回轉的前提下，越靠近支撐立柱越好。經現場試驗，確定油缸的布置如圖5所示，油缸布置在每個行走輪周圍584～914 mm的圓環范圍內，且每個圓環內對稱布置2個。

圖5 8點同步頂升系統油缸布置圖

2.2 主泵頂升油缸速度

雙作用油缸參數見表1，電動液壓泵站參數見表2。電動液壓泵站有低壓大流量和高壓小流量2種工作模式，系統工作壓力低于5 MPa時，泵大流量輸出，可以提高工作效率；系統工作壓力高于5 MPa時，泵小流量輸出，可以提高同步頂升的穩定性和安全性。

表1 主泵頂升雙作用油缸參數

根據表1和表2進行油缸頂升、下降速度和時間計算，確定空載工況與負載工況下的極限速度與時間。

表2 主泵頂升電動液壓泵站參數

(1) 空載工況時，電動泵大流量、低壓輸出，輸出壓力低于5 MPa，頂升時無桿腔部分工作，下降時有桿腔部分工作。

最大頂升速度V1=Q1/(8×A1)=85.39 mm/min；最大下降速度V2=Q1/(8×A2)=170.78 mm/min；最短頂升所需時間t1=50 mm/V1=0.59 min；最短下降所需時間t2=50 mm/V2=0.29 min。

(2) 負載工況時，電動泵小流量、高壓輸出，輸出壓力在5～70 MPa，頂升時無桿腔部分工作，下降時有桿腔部分工作。

最大頂升速度V3=Q2/(8×A1)=8.93 mm/min；最大下降速度V4=Q2/(8×A2)=17.86 mm/min；最短頂升所需時間t3=50 mm/V3=5.60 min；最短下降所需時間t4=50 mm/V4=2.80 min。

2.3 主泵頂升速度確定

主泵頂升時油缸為負載工況，該工況下最大頂升速度為8.93 mm/min。在頂升后期，主泵進入泵殼后難以觀察空間關系，為了保證主泵頂升萬無一失，嚴格滿足設計要求，現場進行了多次模擬以確定最佳頂升速度。

模擬件的關鍵尺寸、重心、質量與主泵基本一致，采用與實際施工中一致的8點同步頂升系統，得出的模擬數據如表3所示。經綜合分析，主泵在泵殼內正式頂升時，速度宜控制在3.0～4.0 mm/min。

表3 主泵頂升模擬數據

在主泵1A、1B、2A、2B實際安裝時，現場采用保守參數，進一步縮小頂升速度范圍區間，采用的頂升速度為3.2～3.7 mm/min，同軸度、角度和平行度的實測數據如表4所示，較好地滿足了設計要求。

表4 主泵頂升實際數據

3 主泵水平運輸至泵殼

主泵安裝于蒸汽發生器腔室內，從吊裝孔引入安裝區域地面后，坐落于如圖6所示的小車上，小車固定基座下方安裝有6組HILLMAN移動滾輪，型號為30-SLS，承載能力為30 t，利用外部驅動方式實現小車的水平移動，每組滾輪投影方向上與30-MSJ-U型蝸桿升降機重合。

圖6 主泵安裝小車

圖7為西側蒸汽發生器腔室內主泵的安裝空間，安裝區域地面有效面積約為31 m2，主泵安裝時腔室內的大部分物項已安裝完成并移交調試，周圍還需預留工具箱、腳手架和旁站人員位置，空間狹小，十分容易發生各種碰撞。

圖7 西側主泵安裝區域布置

為避免2臺主泵之間及周圍物項對主泵的影響，現場采用如圖8所示的三維建模，給出蒸汽發生器腔室內可在主泵安裝前預先安裝的物項清單，最大限度地保證工藝系統調試的完整性，并規劃出一條小車最優行進路線。在實際安裝過程中，小車根據三維建模路線行進，成功避免了物項沖突，距墻體最近距離僅為18 mm，與模擬值基本一致。

圖8 主泵安裝小車行進三維建模

4 結 論

(1)在關鍵部件(如吸入適配器與泵殼)的安裝過程中，采用激光測量與三維建模的方法可在間隙僅為0.76 mm的情況下完成頂升裝配。

(2)在采用物理模擬的基礎上，得出主泵頂升速度區間為3.0～4.0 mm/min，在實際現場工作時采用更嚴格的頂升速度區間3.2～3.7 mm/min，使得主泵的安裝完全滿足設計要求。

(3)在采用三維建模的基礎上，對主泵在蒸汽發生器腔室內的水平運輸進行路線規劃。根據該規劃，主泵實際安裝時距離墻體僅為18 mm，與模擬值基本一致，成功地避免了物項碰撞。

參考文獻：

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[5] 林誠格. 非能動安全先進壓水堆核電技術[M]. 北京：原子能出版社，2010.