HFETR一次水事故泵更換工藝

吳 瑞，張先萌，劉 豪，李成業(yè)，羅文廣

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213）

0 引言

某高通量工程試驗(yàn)堆（HFETR）建造于1970年代，相關(guān)設(shè)備不斷老化，部分設(shè)備不再適用于現(xiàn)行相關(guān)法律法規(guī)[1-2]。一次水事故泵是依據(jù)建堆時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制造的非標(biāo)泵，經(jīng)過多年使用，事故泵部件老化，維修次數(shù)逐年增多，事故泵的檢修工作量和難度增加。由于事故泵未進(jìn)行力學(xué)和抗震鑒定，因此不符合現(xiàn)行相關(guān)法規(guī)的要求。根據(jù)老化管理規(guī)定，為了保證事故泵的安全可靠，需將其更換為具有相應(yīng)安全級別和抗震性能的泵[3-4]。

1 事故泵更換工藝流程

一次水事故泵的性能關(guān)系到反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，在事故泵更換后不能降低事故泵的性能。事故泵包括電機(jī)、泵、泵座、聯(lián)軸器、穿墻軸等設(shè)備，需要對其進(jìn)行全部更換。為了保證事故泵更換后的性能，制定了事故泵更換工藝流程，如圖1所示。

2 事故泵設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)

2.1 泵的設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的一次水事故泵除需保證原泵的性能參數(shù)及基本接口尺寸外，在設(shè)計(jì)過程中還必須嚴(yán)格貫徹執(zhí)行了國家民用核安全法律法規(guī)及RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》的規(guī)定。在設(shè)計(jì)過程中對泵的葉輪模型進(jìn)行了優(yōu)化研究，重要零件進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和校核，配套設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化選擇，對泵組進(jìn)行了抗震計(jì)算和應(yīng)力分析，完全執(zhí)行質(zhì)保要求[5]。為了確保一次水事故泵外部接口與原事故泵接口尺寸相同，對原事故泵的尺寸、進(jìn)出口法蘭、進(jìn)出口標(biāo)高、中心標(biāo)高、安裝基礎(chǔ)等進(jìn)行現(xiàn)場測量，保證新、舊兩泵能進(jìn)行直接互換。

在設(shè)計(jì)完成后委托中國地震局工程力學(xué)研究所，對一次水事故泵進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，按照RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》2000及2002補(bǔ)遺與該電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行詳細(xì)的評定后，泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，泵連接螺栓設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。重慶水泵廠一次水事故泵抗震分析結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)范與技術(shù)規(guī)格書的要求。

2.2 樣機(jī)制造與試驗(yàn)

事故泵樣機(jī)的制造過程全部按照核二級泵的要求進(jìn)行，并且保證與產(chǎn)品泵一致。樣機(jī)制造完成后，按照相關(guān)核二級泵法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行了水壓試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、氣蝕試驗(yàn)、抗震分析和抗震鑒定。

（1）耐久和性能試驗(yàn)。樣機(jī)需使用其本身配用的電機(jī)在試驗(yàn)回路上試驗(yàn)，并且泵裝置進(jìn)行20 h的持久試驗(yàn)，要經(jīng)間隔時(shí)間不同的10次啟動—停車循環(huán)。各次耐久試驗(yàn)?zāi)┪玻涗浾椎谋昧黧w力學(xué)數(shù)據(jù)，包括保證點(diǎn)上的和至少5個(gè)其他點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、輸入功率、速度，畫出跨整個(gè)泵運(yùn)行范圍（零流量—全開流量）的曲線。流體力學(xué)特性的記錄及測量點(diǎn)為10點(diǎn)，畫出整個(gè)泵運(yùn)行范圍（零流量—全開流量）的特性曲線，整個(gè)過程軸承溫度、振動、噪聲等均在規(guī)范要求之內(nèi)，且無泄漏等異常，樣機(jī)的性能滿足要求。

（2）抗震試驗(yàn)。一次水事故泵為抗震I類設(shè)備，需要對樣機(jī)進(jìn)行抗震鑒定，測定HFETR一次水事故泵的動態(tài)特性和地震響應(yīng)，考核設(shè)備的剛度、強(qiáng)度以及在地震載荷作用時(shí)和作用后的性能指標(biāo)，以驗(yàn)證該泵在規(guī)定的地震載荷作用下及作用后的結(jié)構(gòu)完整性和功能完好性。抗震試驗(yàn)在中國地震局工程力學(xué)研究所的5 m×5 m大型高性能地震模擬試驗(yàn)臺上進(jìn)行，該地震臺是自主設(shè)計(jì)的大型設(shè)備，通過了國家核安全局組織專家驗(yàn)收，其性能滿足核級設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)要求。抗震試驗(yàn)按《核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》的規(guī)定，采用人工模擬加速度時(shí)程作為輸入波，完成5次OBE（Operating Basis Earthquake，運(yùn)行基準(zhǔn)地震工況）試驗(yàn)和1次SSE（Safe Shutdown Earthquake，安全停堆地震工況）試驗(yàn)，試驗(yàn)中要求的輸入反應(yīng)譜RRS（Required Response Spectra，要求反應(yīng)譜）為中國核動力院提供：SSE水平加速度峰值取0.21g，豎直加速度峰值為水平向的2/3，阻尼比取0.04；OBE地震加速度峰值取SSE的1/2，阻尼比取0.02。通過抗震試驗(yàn)，證明泵在抗震試驗(yàn)中和地震試驗(yàn)后均能正常啟動和運(yùn)行，且試驗(yàn)后對泵、電機(jī)和底座的外形、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行測試和檢查，與試驗(yàn)前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，證明泵的完整性、功能性和可運(yùn)行性均滿足要求。上述要求全部滿足，泵抗震鑒定合格。

2.3 新舊泵對比

（1）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。由于原一次水事故泵設(shè)計(jì)制造時(shí)，國家無相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因此屬于按照當(dāng)時(shí)國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)內(nèi)部要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的非標(biāo)泵，電機(jī)也為普通電機(jī)。而新的一次水事故泵在設(shè)計(jì)制造中完全采用RCC-M 2級泵的要求進(jìn)行，且電機(jī)更換為1E級K3類電機(jī)。泵體的零件對比表見表1。

圖1 事故泵更換流程

表1 一次水事故泵泵體的主要零件對比

（2）試驗(yàn)對比。新一次水事故泵按照RCC-M及技術(shù)規(guī)格書的要求，首先制造了樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了水壓試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、氣蝕試驗(yàn)、抗震分析和抗震鑒定，一次水事故泵出廠試驗(yàn)對比見表2。

表2 一次水事故泵出廠試驗(yàn)對比

（3）性能參數(shù)。新舊一次水事故泵的水力曲線和工況點(diǎn)參數(shù)見表3與圖2、圖3、圖4。

（4）對比結(jié)論。通過對新事故泵和原事故泵在材料、標(biāo)準(zhǔn)、尺寸及試驗(yàn)等多方面的對比表明，新事故泵是經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量把控，并經(jīng)抗震試驗(yàn)檢驗(yàn)對其安全可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，在各方面全部優(yōu)于原事故泵，并且能在外形尺寸及水力性能方面與原事故泵能夠保持一致性。

表3 新舊一次水事故泵產(chǎn)品工況點(diǎn)參數(shù)對比

圖2 原102泵水力曲線

圖3 1#H102泵水力曲線

圖4 2#H102泵水力曲線

3 一次水事故泵拆除、安裝與調(diào)試

3.1 原事故泵的拆除

拆除工作為2臺舊泵組的拆除，包括泵、聯(lián)軸器、電機(jī)、穿墻軸等。

拆除施工的流程為：施工準(zhǔn)備→拆卸聯(lián)軸器防護(hù)罩→拆卸聯(lián)軸器→軸端跳動檢查→管路拆卸→泵體移除→底座移除→電機(jī)移除→泵體維護(hù)。

3.2 泵及電機(jī)基礎(chǔ)施工

由于新泵組與舊泵組的基礎(chǔ)接口尺寸、法蘭連接尺寸等通過設(shè)備預(yù)裝驗(yàn)證，與舊泵完全一致，因此不需要對基礎(chǔ)做較大調(diào)整，也不需要進(jìn)行管道修改，只需要對原基礎(chǔ)進(jìn)行找平修整即可。施工單位對泵組基礎(chǔ)進(jìn)行找平，基礎(chǔ)尺寸及位置的偏差見表4。

表4 泵組基礎(chǔ)尺寸及位置的允許偏差與實(shí)測值 mm

3.3 泵組安裝

按照安裝要求進(jìn)行2臺事故泵的安裝，安裝內(nèi)容包括泵、聯(lián)軸器、電機(jī)、穿墻軸等。由于新泵電機(jī)型號與舊泵一致，僅安全等級提高至1E級K3類，因此未改變原有的電氣供電及控制線路。

安裝施工的主要流程為：泵體打壓試驗(yàn)→泵體清洗→泵二次運(yùn)輸及就位→泵的初步找平找正→泵的精找→同軸度找正→試車/啟動。2臺泵組的安裝數(shù)據(jù)見表5。

表5 泵組安裝數(shù)據(jù)的允許偏差與實(shí)測值 mm

3.4 單體調(diào)試

（1）空載調(diào)試。脫開電機(jī)與穿墻軸的聯(lián)軸器，啟動1#事故泵電機(jī)，記錄電機(jī)的啟動電流和運(yùn)行電流，待1#事故泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后測量電機(jī)外殼溫度，每5 min記錄一次，共記錄6次，觀察溫升是否正常并記錄。之后停止1#事故泵，重復(fù)進(jìn)行2#事故泵電機(jī)的空載調(diào)試。一次水事故泵空載調(diào)試記錄表見表6。

表6 一次水事故泵空載調(diào)試記錄

一次水事故泵單泵調(diào)試空載調(diào)試結(jié)論：1#事故泵電機(jī)空載啟動電流，228.4 A；2#事故泵電機(jī)空載啟動電流，243.6 A；1#事故泵電機(jī)運(yùn)行電流，13 A左右；2#事故泵電機(jī)運(yùn)行電流，12 A左右；1#事故泵電機(jī)外殼溫度，55 ℃左右（運(yùn)行較1#事故泵時(shí)間長，所以溫度較2#事故泵高）；2#事故泵電機(jī)外殼溫度，40 ℃左右；1#、2#事故泵電機(jī)外殼溫升正常。

（2）負(fù)載調(diào)試。就地啟動1#事故泵，測量并記錄電機(jī)的啟動電流，待運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，測量并記錄電機(jī)的運(yùn)行電流。測量1#事故泵電機(jī)和泵體在水平、徑向、軸向的振動烈度，運(yùn)轉(zhuǎn)5 min以后，測量1#事故泵電機(jī)軸承溫度，每5 min記錄一次，共記錄6次，觀察溫升是否正常并記錄。之后停止1#事故泵，重復(fù)進(jìn)行2#事故泵的負(fù)載調(diào)試。一次水事故泵負(fù)載調(diào)試記錄表見表7。

表7 一次水事故泵負(fù)載調(diào)試記錄

一次水事故泵單泵調(diào)試負(fù)載調(diào)試結(jié)論：1#事故泵負(fù)載啟動電流，256.9 A；2#事故泵負(fù)載啟動電流，251.1 A；1#事故泵電機(jī)運(yùn)行電流，38 A左右；2#事故泵電機(jī)運(yùn)行電流，38.5 A左右；1#事故泵軸承溫度，50 ℃左右（運(yùn)行較1#事故泵時(shí)間長，所以溫度較2#事故泵高）；2#事故泵軸承溫度，45 ℃左右；1#、2#事故泵電機(jī)外殼溫升正常。

綜上所述，調(diào)試結(jié)果表明1#、2#事故泵啟動、運(yùn)行均正常，具備長期運(yùn)行的條件。

3.5 綜合調(diào)試試驗(yàn)

一次水事故泵綜合調(diào)試試驗(yàn)包括：1#、2#事故泵泵間切換功能試驗(yàn)，1#、2#事故泵強(qiáng)制啟動功能試驗(yàn)，1#、2#事故泵自啟動后事故冷卻流量的貢獻(xiàn)時(shí)間測定，1#、2#事故泵自啟動后達(dá)到額定流量時(shí)間測定。通過事故泵綜合調(diào)試，獲得1#、2#事故泵的運(yùn)行參數(shù)，它是驗(yàn)證1#、2#事故泵在任何工況下是否能夠滿足運(yùn)行要求的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，為以后的高通量工程試驗(yàn)堆的安全運(yùn)行提供了保障和參考數(shù)據(jù)。

綜合調(diào)試試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段進(jìn)行1#、2#事故泵泵間切換功能試驗(yàn)和1#、2#事故泵強(qiáng)制啟動功能試驗(yàn)；第二階段進(jìn)行1#、2#事故泵自啟動后事故冷卻流量的貢獻(xiàn)時(shí)間測定，1#、2#事故泵自啟動后達(dá)到額定流量時(shí)間測定，1#、2#事故泵啟動對應(yīng)急電源沖擊和蓄電池組放電情況測試。一次水事故泵泵間切換功能試驗(yàn)記錄表見表8，一次水事故泵強(qiáng)制啟動功能試驗(yàn)記錄見表9。

表8 一次水事故泵泵間切換功能試驗(yàn)記錄

一次水事故泵泵間切換功能試驗(yàn)結(jié)論：1#、2#事故泵泵間切換功能正常。

一次水事故泵強(qiáng)制啟動功能試驗(yàn)結(jié)論：1#、2#事故泵均能強(qiáng)制啟動，強(qiáng)制啟動流量＞550 t/h。

綜上所述，調(diào)試結(jié)果表明1#、2#事故泵啟動、運(yùn)行及功能均正常，具備長期運(yùn)行的條件。

4 結(jié)論

（1）新事故泵的設(shè)計(jì)比擬原事故泵設(shè)計(jì)，保證了與回路接口的匹配，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中對葉輪進(jìn)行了優(yōu)化提高了事故泵的性能。

（2）使用新事故泵樣機(jī)對事故泵進(jìn)行了多種試驗(yàn)：水壓試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、氣蝕試驗(yàn)、抗震分析和抗震鑒定。試驗(yàn)結(jié)果表明了新事故泵滿足設(shè)計(jì)要求，為產(chǎn)品泵的制造、安裝和調(diào)試成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）在安裝過程中嚴(yán)格把控安裝尺寸，安裝后對事故泵進(jìn)行了單體調(diào)試和綜合調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明新事故泵可以滿足使用要求。

（4）事故泵的更換使得事故泵的性能得到了提升，滿足現(xiàn)行法規(guī)的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)也確保了在反應(yīng)堆在緊急狀態(tài)下的安全。