核電廠冷卻水泵維修性分析與改造

申伽奇，夏繼豪

摘 要：核電廠的冷卻水泵設(shè)備，是核電站回路輔助系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，其在核電廠發(fā)電以及水冷卻過程中發(fā)揮著不可替代的重要作用。但是，設(shè)備在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些問題，通過長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，冷卻水泵在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)漏水和后期維修性能較差的問題，這也給現(xiàn)場(chǎng)操作人員以及維修管理人員的工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，冷卻水設(shè)備的問題也會(huì)影響到核電站發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致核電站發(fā)電效率低或回水冷卻性能低下等多種問題。文章主要分析了核電廠冷卻水泵的維修性，并就核電廠冷卻水泵的維修改造方案進(jìn)行了探討，希望能夠?yàn)樘嵘穗姀S冷卻水泵的應(yīng)用性能提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠冷卻水泵;維修性;改造方案

中圖分類號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.009

核電廠的設(shè)備冷卻水泵，是核反應(yīng)堆以及一回路輔助系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，冷卻水泵不僅能夠在核反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)輸送設(shè)備冷卻水，同時(shí)當(dāng)發(fā)生停堆以及其他問題的狀況下，也能夠持續(xù)不斷地向設(shè)備輸送冷卻水，冷卻水泵的正常運(yùn)行與冷卻一回路系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有密不可分的關(guān)系。冷卻水泵在運(yùn)行過程中，采用的是機(jī)械與水泵共軸式連接的方法，軸封采用的是散裝式機(jī)械密封的方式。

然而，從長(zhǎng)期的冷卻水泵運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)看，這種軸封方式會(huì)導(dǎo)致冷卻水泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水問題，并且也加大了維修管理人員后期的工作難度。如果軸發(fā)生磨損，就必須要更換整個(gè)電機(jī)，這也增加了維修和管理的時(shí)間，同時(shí)還為核電廠帶來了高額的維修成本。因此，核電廠必須要分析設(shè)備冷卻水泵的維修性以及改造方案，以有效提升改造后的維修效率，幫助核電廠在維修管理過程中降低成本。

1 設(shè)備冷卻水泵的基礎(chǔ)參數(shù)信息

1.1 設(shè)備冷卻水泵簡(jiǎn)介

設(shè)備冷卻水泵的結(jié)構(gòu)形式主要為單級(jí)單吸離心泵，在運(yùn)行過程中，水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要共用同一根軸，但是水泵和電機(jī)應(yīng)用的軸分段不同。水泵應(yīng)用的軸分段屬于電機(jī)軸的延伸部分。冷卻水泵的安裝方式為立式掛壁安裝，外殼屬于水平方向的剖分結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)作用下，冷卻水的進(jìn)出是通過水平吸入和水平吐出的方式實(shí)現(xiàn)的，冷卻水的吸入主要通過進(jìn)水彎管和進(jìn)水蓋結(jié)合作用實(shí)現(xiàn)。設(shè)備冷卻水泵的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 設(shè)備冷卻水泵的解體探究

為了直觀地了解設(shè)備冷卻水泵運(yùn)行過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題，必須對(duì)設(shè)備冷卻水泵進(jìn)行解體檢測(cè)。在檢查過程中，筆者發(fā)現(xiàn)了以下幾個(gè)問題：第一，設(shè)備冷卻水泵安裝機(jī)封部位的軸磨損較為嚴(yán)重;第二，機(jī)封內(nèi)部的摩擦副和靜環(huán)座內(nèi)墻磨損較為嚴(yán)重。

2 設(shè)備冷卻水泵的維修性分析

設(shè)備冷卻水泵中的電機(jī)和水泵采用的是同一條軸，這種同軸式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，冷卻水泵內(nèi)部的組軸尺寸較小，但是在應(yīng)用過程中也會(huì)出現(xiàn)一定的缺陷，并且后期維修管理工作較為困難。尤其是在使用過程中，如果軸的磨損情況較為嚴(yán)重，必須要更換整個(gè)電機(jī)設(shè)備，這也在一定程度上為核電廠的設(shè)備冷卻水泵維修增加了一定的成本。本次解體的設(shè)備冷卻水泵，電機(jī)軸磨損情況就較為嚴(yán)重，磨損部位主要處于裝機(jī)械密封口處。

通過對(duì)核電廠的設(shè)備、冷卻水泵尺寸進(jìn)行測(cè)繪工作，再加上與用戶之間進(jìn)行技術(shù)交底，筆者決定將電和水泵采用同一條軸的結(jié)構(gòu)方式改造為分軸式結(jié)構(gòu)。在改造過程中，需要應(yīng)用剖分式聯(lián)軸器，將電機(jī)應(yīng)用的軸與水泵應(yīng)用的軸相連接，水泵軸與電機(jī)軸需要應(yīng)用分半卡環(huán)以及螺栓，將剖分式的聯(lián)軸器固定好。剖分式聯(lián)軸器屬于一種剛性聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器在運(yùn)用過程中具有一定的優(yōu)勢(shì)。剖分式連接軸在組裝及拆卸過程中，不需要采用軸向移動(dòng)的方式，因此組裝和拆卸的流程較為簡(jiǎn)單。除此之外，剖分式連接軸在運(yùn)行過程中，采用的是軸向力傳導(dǎo)的動(dòng)力原理，傳動(dòng)過程中不需要耗費(fèi)大量的電力。由于本次研究中設(shè)備冷卻水泵的轉(zhuǎn)速較高，最高轉(zhuǎn)速甚至達(dá)到了2 900 r/min，這也導(dǎo)致剖分式聯(lián)軸器等運(yùn)行速度較大。為了減少軸運(yùn)行過程中的不平衡量，可以將剖分式聯(lián)軸器上的六顆螺栓設(shè)計(jì)成對(duì)稱軸的分布方式，并且需要單獨(dú)對(duì)剖分式聯(lián)軸器進(jìn)行平衡測(cè)試實(shí)驗(yàn)，確保剖分式聯(lián)軸器在運(yùn)行過程中減少不平衡量，并且有效降低設(shè)備冷卻水泵運(yùn)行過程中的振動(dòng)頻率。

通過對(duì)該核電廠的設(shè)備冷卻水泵進(jìn)行解體，筆者還發(fā)現(xiàn)，設(shè)備冷卻水泵的軸封方式為非集裝式機(jī)械密封方式。在軸風(fēng)口處靜環(huán)內(nèi)孔與軸的表面磨損較為嚴(yán)重，設(shè)備冷卻水泵的壓蓋上并沒有安裝排氣孔。這種非集裝式的機(jī)械密封方式，在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)巨大的缺陷。這種密封方式本身的安裝流程較為復(fù)雜，并且在運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生泄露問題，因此在安裝過程中，必須要靈活調(diào)整彈簧的壓縮量，這也為施工工人安裝以及后期的維修管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。除此之外，非集裝式密封采用的是同一根大型彈簧，這種彈簧在使用過程中會(huì)導(dǎo)致摩擦副端面受力不均勻的問題，并且在其風(fēng)口處還容易發(fā)生泄露。由于這種非集裝式機(jī)封具有一系列的應(yīng)用缺陷，因此筆者決定在不改變?cè)兴贸叽绲那闆r下，對(duì)機(jī)械密封的軸封方式進(jìn)行改造，將原有的非集裝式機(jī)械密封方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧b式的機(jī)械密封方式，以有效防止運(yùn)行過程中的水泄露問題。

集裝式的機(jī)械密封方式，主要是將密封壓蓋以及動(dòng)靜環(huán)結(jié)合運(yùn)用在軸套部位。在安裝過程中，可以應(yīng)用體型較小的彈簧代替原先的大型彈簧，這種小彈簧能夠確保端面上的彈簧比壓受力較為均勻，并且還不會(huì)受到軸直徑變化帶來的影響。集裝式機(jī)械密封在正式投入運(yùn)行前，就需要將彈簧的壓縮量調(diào)整到合理位置，在使用過程中，直接將機(jī)械密封組裝安裝在傳動(dòng)軸上就可以應(yīng)用，不需要再次調(diào)整彈簧的壓縮量，整體的安裝操作流程較為簡(jiǎn)單。除此以外，在軸的安裝方面還設(shè)計(jì)了保護(hù)套，確保整個(gè)冷卻泵的軸能夠與冷卻水分離開來，防止冷卻水與軸帶直接接觸而帶來的磨損或腐蝕問題。與此同時(shí)，還在機(jī)械密封壓蓋上設(shè)置了排氣閥，防止機(jī)械密封腔體內(nèi)存留的氣體導(dǎo)致機(jī)械密封損壞[1]。

為了進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)子的軸結(jié)構(gòu)，本次改造過程中，需要在冷卻水泵上安裝水潤(rùn)滑倒軸承承受泵轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中帶來的壓力。在方案規(guī)劃過程中，將導(dǎo)軸承的安裝部位確定在原先安裝葉輪口環(huán)的區(qū)域。為了確保初步設(shè)計(jì)規(guī)劃的可行性，需要與軸承設(shè)計(jì)的廠家經(jīng)過多次技術(shù)交底工作，確認(rèn)該方案是否可行。確認(rèn)無誤后需要用水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承代替原先的葉輪，這樣既能起到一定的密封作用，同時(shí)又能夠更好地承受水泵轉(zhuǎn)子帶來的作用力。水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承主要的材質(zhì)為碳纖增強(qiáng)型復(fù)合材料，這種材料本身就具有一定的潤(rùn)滑效果，并且在使用過程中還具有良好的抗磨性能。這項(xiàng)材料在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能夠有效縮小運(yùn)轉(zhuǎn)閑帶來的空隙。同時(shí)，還能防止葉輪摩擦或出現(xiàn)咬合的問題。通過運(yùn)轉(zhuǎn)過程中減小口環(huán)之間的間隙，還能夠有效提升冷卻水泵等運(yùn)轉(zhuǎn)效率，同時(shí)降低冷卻水泵機(jī)組在運(yùn)行過程中的振動(dòng)頻率[2]。

3 設(shè)備冷卻水泵的維修改造措施

3.1 改造設(shè)備冷卻水泵的電機(jī)軸

筆者對(duì)電機(jī)軸和泵軸采用了分軸式的結(jié)構(gòu)改造方式，并且在分軸連接部位增加了剖分式聯(lián)軸器，為了確保分軸式的軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須要對(duì)電機(jī)部分使用的軸承進(jìn)行改造[3]。在改造之前，首先要精確測(cè)量電機(jī)軸的尺寸，在現(xiàn)有電機(jī)軸的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次加工，并且在電機(jī)軸的源頭處添加一道5 mm左右的槽，用來安裝剖分式聯(lián)軸器。在改造過程中，需要將原有的電機(jī)軸全部拆除，然后對(duì)軸承的兩端部位進(jìn)行支撐，確保軸的徑向跳動(dòng)空間不超過0.08 mm，如果軸的徑向跳動(dòng)空間超過了這一系數(shù)，就不能在現(xiàn)有的電機(jī)軸基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，需要將電機(jī)軸全部拆除，重新加工一根全新的軸。經(jīng)過檢測(cè)，筆者發(fā)現(xiàn)原有的電機(jī)軸跳動(dòng)系數(shù)沒有超過0.08 mm。因此，可以在原有的電機(jī)軸基礎(chǔ)上進(jìn)行二次改造[4]。

3.2 改造設(shè)備冷卻水泵的制造泵軸

采用分軸式的結(jié)構(gòu)方式后，需要重新加工一根新的水泵軸，在加工之前需要測(cè)繪出設(shè)備冷卻水泵全新的結(jié)構(gòu)圖紙。全新的水泵軸采用的是不銹鋼材質(zhì)，在應(yīng)用之前，需要對(duì)不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行熱處理工作[5]。

3.3 分軸式結(jié)構(gòu)改造的跳動(dòng)檢測(cè)

在水泵軸與電機(jī)軸進(jìn)行連接之后，需要對(duì)分軸式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行跳動(dòng)檢測(cè)。在檢測(cè)過后，筆者發(fā)現(xiàn)軸跳動(dòng)系數(shù)為0.015 mm。安裝完成后需要裝配葉輪口，并且對(duì)葉輪口環(huán)的位置進(jìn)行進(jìn)一步的跳動(dòng)檢測(cè)，確保測(cè)試紙?zhí)幵?.1 mm左右。

3.4 分軸式結(jié)構(gòu)的保護(hù)套安裝工程

為提高水泵機(jī)組運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性，需要在電機(jī)支架的窗口部位設(shè)置保護(hù)裝置。保護(hù)裝置的材質(zhì)為金屬材質(zhì)，需要選擇不銹鋼材料起到一定的耐磨和抗壓作用，并且防止水泵機(jī)組在運(yùn)行過程中，對(duì)工作人員造成身體傷害[6]。

3.5 確保轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

在水泵機(jī)組運(yùn)行過程中，為降低轉(zhuǎn)子不平衡而導(dǎo)致的水泵機(jī)組振動(dòng)頻率，必須要對(duì)水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)需要進(jìn)行平衡試驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精確度符合G1.0級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，允許轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不平衡誤差，但是不平衡量必須要控制在0.1 g的范圍之內(nèi)[7]。在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中，需要進(jìn)行去重工作，可以通過在葉輪前壓蓋板上進(jìn)行去重的方式操作，但是去重的厚度不能超過壓蓋板厚度的1/3。

3.6 維修改造過后的性能測(cè)試

在設(shè)備冷卻水泵機(jī)組維修改造過后，需要對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行二次運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，在多次測(cè)試后才能驗(yàn)證維修改造后的水泵機(jī)組的運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠。與此同時(shí)，還要對(duì)水泵機(jī)組的性能參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，如圖2所示[8]。在水泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試操作，水泵機(jī)組的安裝方式為立式，側(cè)掛式安裝，如圖3所示，要在安裝支架上另外設(shè)置減震設(shè)備，從而降低水泵機(jī)組運(yùn)行過程中的振動(dòng)頻率。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要考核水泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，記錄水泵機(jī)組在額定功率下的振動(dòng)頻率、噪音程度、軸承流暢性以及溫度、水泄漏量等各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程需要連續(xù)10個(gè)小時(shí)。在這10小時(shí)內(nèi)，如果冷卻水設(shè)備機(jī)組運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，軸承溫度正常，密封口無水泄露現(xiàn)象，那么就證明本次設(shè)備冷卻水泵的維修改造取得了成功，可以在生產(chǎn)線上大批量應(yīng)用[9]。

4 結(jié)語

綜上所述，核電廠在發(fā)電過程中，冷卻水泵的運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性，但是冷卻水泵在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)一系列的問題，這也為冷卻水泵的維修和管理工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，必須深入分析設(shè)備，冷卻水泵運(yùn)行過程中的維修性，采用科學(xué)的改造方式，提高冷卻水泵運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，確保冷卻水泵機(jī)組在運(yùn)行過程中能夠發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

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