百萬千瓦核反應堆主泵電機整體更換技術研究

楊全超，童益華，陳錦裕，田 濤

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

1 概述

核反應堆一回路主冷卻劑泵（簡稱主泵）是核反應堆的關鍵設備之一[1]，是反應堆冷卻劑系統中唯一的轉動設備。主泵用于驅動高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，以提供足夠的流量冷卻反應堆堆芯，將堆芯中產生的熱量通過蒸汽發生器傳遞給二回路，確保并保持偏離泡核沸騰比（DNBR）大于1.3。

“華龍一號”機組為我國完全擁有自主知識產權的三代核電機組[2]，其配套主泵電機為三相鼠籠式異步感應電動機，額定功率7500 kW。受核島廠房空間限制，為了實現泵組的緊湊布置，泵與電機采用鋼性聯軸器連接，使電機與泵共用一組雙向推力軸承，整個泵組軸承采用“半傘式”三軸承[3]布置，如圖1 和圖2 所示。

圖1 某型主泵組結構

圖2 泵組轉子布置

在核電廠的換料停堆大修工作中，主泵電機的解體檢修工作一直占據著大修的關鍵路徑。如何既能保證檢修質量又能減緩主泵電機檢修給大修關鍵路徑的壓力，一直是各運行電廠努力尋求解決的問題。在此背景下，主泵電機“整體更換，離線檢修”的維修模式應運而生。該模式突破了以往電機維修只能在大修中進行的掣肘，將電機解體檢修的絕大部分工作放在日常工作中進行，不僅大大減少了對機組大修工期的影響，充足的日常時間也有效保證了電機的檢修質量。如圖3 所示，對比電機整體更換策略和原始電機檢修策略的檢修流程可以發現，采用主泵電機“離線檢修，整體更換”的檢修策略以后，大修主線工期明顯縮短12 d。

圖3 電機原始檢修工藝和電機整體更換流程及工期對比

2 技術難點分析

實現主泵電機的整體更換主要有2 個技術難點。

2.1 聯軸器同鉆鉸

三軸承設計主泵要求泵軸與電機軸通過1 組剛性聯軸器共用1 組導軸承[4]，這就要求軸系有較高的對中精度。為此，不同的主泵制造商設計了不同的聯軸器連接方式用以保證軸系的傳動精度，例如德國KSB 主泵采用Hirth 型聯軸器[5]，該型主泵采用剛性聯軸器通過8 個平銷來實現2 根軸的對中定位和傳遞扭矩，如圖4 所示。實施該型電機整體更換，需要對電機自帶的聯軸器與原始泵軸的聯軸器進行適配，即平行銷孔同鉆鉸。制造廠一般利用大型加工設備對平行銷孔實施同鉆鉸。但是當設備安裝到現場之后，由于現場的加工設施條件受限，一般較難在現場按照制造廠的加工工藝完成同鉆鉸工作[6]。將聯軸器組件拆除后一并返廠處理又將占用大量的主線時間，因此，需要針對該工況條件設計一款便捷的工裝，實現主泵聯軸器銷孔的現場同鉆鉸，使電機整體更換在現場實施成為可能。

圖4 某型主泵聯軸器結構

2.2 對中

軸系三軸承結構導致電機軸與泵軸共用1 組徑向導軸承和1 組軸向推力軸承[7-8]，整個軸系為剛性連接，因此對軸承的對中要求較高。該型號主泵泵組的對中工藝較為特殊：主泵電機在熱檢修廠房首先進行單體對中、電機和上電機支座對中，然后組合體運至核島和泵軸對中。按照傳統對中工藝要求，電機在島內與泵對中過程需要將泵的機械密封全部拆除，并進行數次聯軸器的拆裝才能完成對中，工藝非常復雜。

現有工藝主要缺點：①泵聯軸器及機械密封的拆裝工作需要占用電機檢修關鍵路徑約72 h，將直接造成主線工期延期72 h；②該型泵聯軸器軸和聯軸器之間是通過對稱的雙鍵來傳遞扭矩的，如圖5 所示，主泵電機上半聯軸器和泵軸的間隙為0.02～0.04 mm，泵軸和聯軸器的材料較軟且極易拉傷，所以在泵軸聯軸器拆裝的過程中可能拉傷咬死，存在需要破壞拆卸的風險；③因為對中需要拆除泵機械密封（反應堆一回路壓力邊界），會影響泵的壓力邊界可靠性以及設備過度維修，浪費人力物力資源。

圖5 雙鍵傳動聯軸器

因此，需要針對電機整體更換方案重新設計一套對中工藝，減少設備檢修工作量同時節省檢修主線工期。

3 優化策略

3.1 聯軸器同鉆鉸技術

針對聯軸器同鉆鉸的技術難點，設計一種用于剛性聯軸器平行銷孔同鉆鉸的工裝，在保證聯軸器銷孔加工精度要求的同時，擺脫對大型加工設備的依賴，實現在現場完成平行銷孔同鉆鉸工作。該工裝示意圖如圖6 所示。

圖6 主泵電機聯軸器同鉆鉸工具

新工裝包括平行鉸刀、滑軌支架A、滑軌支架B、導向塊、滑軌、滑塊、底座、錐柄延長桿、磁力鉆、底座定位塊、墊塊、螺栓A及螺栓B；磁力鉆安裝在底座上，通過磁力鉆基座電磁鐵與碳鋼材質底座之間的磁吸力實現二者的固定；磁力鉆通過錐柄延長桿與平行鉸刀連接；磁力鉆在底座上能夠自由調整使得平行鉸刀的回轉中心與待鉸銷孔同心；底座的下方設有4 個圓柱形的底座定位塊，每個底座定位塊的下端設有圓柱形的墊塊，墊塊的下端設有用于緊固的螺栓A；底座定位塊、墊塊及螺栓A，用于調整底座端面與聯軸器端面的平行度，保證磁力鉆電機的回轉中心與平行銷孔的同心度；底座與中間軸之間通過4 顆螺栓A穿過中間軸的螺孔進行緊固；在底座的下方平行設有上下2 組滑軌支架A 與滑軌支架B；滑軌支架A 與滑軌支架B 均為半圓形，二者的兩端分別通過1 個螺栓B 連接，二者形成一個圓環抱緊在中間軸上；在滑軌支架A 的中部設有導向塊，用于作為錐柄延長桿的穩定裝置；在上下2 組的滑軌支架A 之間，且在導向塊兩側設有2 根平行的滑軌，在滑軌上連接有1 個滑塊，滑塊在2 根滑軌上能夠上下滑動；在滑塊中間設有能夠穿過錐柄延長桿的滑孔，用于作為錐柄延長桿的穩定裝置；通過導向塊和滑塊與錐柄延長桿的配合，保證磁力鉆的扭矩穩定傳遞到安裝在錐柄延長桿端部的平行鉸刀上，并通過平行鉸刀完成高精度的鉆鉸工作。

在進行同鉆鉸前，應先使半聯軸器和中間短軸對中，并使用螺栓緊固，將對中后的聯軸器組件固定在基座上保持水平；依次安裝同鉆鉸工裝，選擇合適的平行鉸刀，開啟磁力鉆保持勻速擴孔，逐步更換下一規格尺寸的平行鉸刀，直至2 部件銷孔同心為止。

3.2 對中工藝優化

參考該型主泵安裝調試的良好實踐和設備的結構特點，進行了對中工藝優化，如圖7 所示。

新工藝有如下特點：不進行機械密封的拆除，省去了拆裝機封的主線工作時間；規避了泵聯軸器與泵軸拆裝的卡澀風險，有效提高了檢修質量控制；依據設備結構特點改變電機軸與泵軸對中的參考位置，簡化了對中工藝要求。

對中工藝優化具體步驟：粗調泵軸的位置，使泵軸處于密封室的中心；盤動電機轉子，測量中間聯軸器上端面跳動，精調泵軸位置使聯軸器上端面跳動≤0.01 mm；調整電機的位置同時盤動電機軸，使軸跳動≤0.01 mm 則對中合格。

4 應用和效益

通過探索、固化主泵電機整體更換工藝，提高了核反應堆主泵電機檢修質量，且具有廣闊的推廣價值和社會效益。

圖7 聯軸器圓周架表

（1）將主泵電機全解檢查的關鍵步驟轉移至大修前完成，大大提升了關鍵部件的檢修質量。根據運行技術規范要求，機組啟動期間任何1 臺主泵不可用，將直接制約機組狀態上行；功率運行期間，任何1 臺或以上主泵發生故障跳泵，均會導致反應堆停堆、機組停機的重大故障事件。主泵電機運行可靠性將直接影響主泵設備運行安全，探索并固化電機整體更換工藝，將電機解體檢查的關鍵步驟放在大修前非關鍵路徑上進行，大大減小了檢修工作的時間壓力，有效保證了檢修質量。此外，離線組裝的電機單體還可在電機單體試驗臺上進行試運轉，用于提前考核電機的檢修質量，及早發現可能的檢修偏差，確保機組上行路徑通暢。

（2）節省了大修關鍵路徑至少12 d，經濟效益顯著。參考圖3 電機整體更換和電機原始檢修工藝流程及工期，通過對采用電機整體更換策略和原始電機檢修策略的檢修流程對比，采用主泵電機“離線檢修，整體更換”的檢修策略以后，大修主線工期明顯縮短12 d。對于百萬千瓦級核電機組，單次大修將直接為電廠帶來1.2 億元的發電收入。

（3）具有廣泛的推廣價值。“華龍一號”核電機組是根據福島核事故經驗反饋以及我國和全球最新安全要求，研發的先進百萬千瓦級壓水堆三代核電技術，是完全具有我國自主知識產權的項目，它的技術性能和安全指標都達到了國際三代核電技術的先進水平，是中國核電“走出去”的主打品牌。在國家大力推動裝備制造技術背景下，該型主泵已成為我國自主研發的三代核電機組主要配套裝備。隨著華龍機組的逐步推廣，該型主泵電機“離線檢修，整體更換”的工藝必將推向全球。

5 結論

針對某型主泵三軸承結構特點，經過系統分析和實踐研究，成功實現主泵電機的更換工作，取得了明顯有益效果：①適應性地開發了聯軸器同鉆鉸工具，徹底擺脫了傳統同鉆鉸孔工藝對大型加工設備的依賴，打破現場無法實施同鉆鉸的局限性，使得現場實施主泵電機整體更換成為可能；②優化了軸系對中工藝，省去了拆裝機封的主線工作時間，規避了泵聯軸器與泵軸拆裝的卡澀風險，有效提高了檢修質量控制。

應用實踐表明，本工藝顯著提高了核電廠安全運行水平，有效提高了核電廠運行經濟性與可靠性。