淺析核電汽輪機通流改造實施難點及應對措施

鄒遠波

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

為配合核電廠運行許可證延續評審工作，秦一廠對300 MW級核電汽輪機通流部件及其配套設備進行了全面升級改造。在不改變一回路原有設備的前提下，通過技術手段將汽輪機額定功率提升至350 MW，并使機組的使用壽命再延長20年。

作為國內第一臺投入商業運行的壓水堆核電汽輪機，由于核電技術管理及行業的特殊性，在核電汽輪機通流改造方面尚無可借鑒的工程經驗。為了更好地完成300 MW級核電汽輪機的通流改造，核電廠以項目管理的方式推進汽輪機的通流改造，對制約核電汽輪機的通流改造質量及檢修工期的因素進行了系統分析，并對設備制造質量控制、安裝質量與風險控制等多個關鍵環節的實施難點進行預判，提出一系列行之有效的技術方案及管理措施。

本文將就300 MW級核電汽輪機的通流改造實施過程中的技術難點進行分析，并對項目實施過程中的控制措施進行總結，為后續國內其他核電汽輪機的通流改造提供工程經驗。

1 核電汽輪機通流改造的背景及意義

1.1 提高核電機組運行水平的需要

300 MW級核電汽輪機作為國內首臺投運的核電汽輪機，該型汽輪機是脫胎于20世紀70年代的西屋公司600 MW火電汽輪機設計技術。鑒于當時的科學技術水平及機械加工手段的限制，機組的通流部件主要采用直葉片設計，整體熱效率較低。通過汽輪機通流改造，一方面可采用新的設計及加工技術消除汽輪機原有的設計與制造缺陷,提高運行安全性,另一方面可提高汽輪機的熱效率,降低運行成本。

1.2 開展國內核電運行許可證延續技術研究的需要

作為清潔能源，核電在國家能源體系中發揮出越來越重要的作用。為了更好地促進核電行業的健康發展，有必要進行核電運行許可證延續的相關技術研究，在保證核安全的前提下適當延長核電機組的運行年限，提高核電的市場競爭力。從核電廠關鍵設備的老化評定分析結論來看，300 MW級核電機組的反應堆壓力容器、安全殼及蒸汽發生器等具有足夠的安全裕度，可保證機組安全運行50～60年。而二回路的汽輪機及配套發電機的設計壽命僅為30年，遠遠低于一回路主設備的可運行年限。因此，需要適當延長汽輪發電機及其輔機設備的使用壽命，使之與一回路主設備的設計壽命匹配，從而滿足核電廠運行許可證延續的需求。

1.3 核電汽輪機通流改造的可行性分析

從2014年年底開始，通過對300 MW級核電汽輪發電機組及其配套的反應堆熱功率、常規島熱力系統、發電相關的主要設備長達3年的試驗和理論分析，論證了通流改造后將功率提升到350 MW的可行性。主要完成的分析項目及分析結論如表1所示[1]。

表1 300 MW級核電汽輪機通流改造的可行性分析主要項目

分析結果表明，300 MW級核電汽輪發電機組更新改造后功率提升至350 MW后，反應堆熱功率低于加強工況下反應堆熱功率，對應的主蒸汽流量小于允許最大流量，二回路輔機系統總體滿足功率提升后的運行要求。因此，通流改造是可行的。

2 核電汽輪機通流改造實施難點分析

本次核電汽輪機通流改造以延長機組使用壽命為主要目的，同時要兼顧機組的增容提效，以改善機組的經濟性。影響汽輪機通流效率的主要因素有各項漏汽損失、葉型結構損失及二次流損失等，因此提高通流熱力性能和效率的關鍵途徑是“盡量減少汽輪機漏氣損失”和“采用更加先進的新型高效葉片”。[2]

300 MW級核電汽輪機為單軸、三缸四排汽、兩級MSR、凝汽式汽輪機，由一個雙流高壓缸和兩個雙流低壓缸串聯布置組成。在此次改造的通流設計上除低壓末兩級長葉片外，高、低壓通流部分均采用AIBT 整體通流技術進行設計,如圖1所示。

圖1 AIBT整體通流技術示意圖

通流結構的變化給設備的制造及現場安裝帶來了較大的困難，主要體現在以下幾個方面：

1)設備制造階段的質量管理難度大。核電汽輪機通流改造涉及大量部件的加工制造，需要多個廠家、多個工種協同完成，質量控制點分散，管理難度高；

2)新舊部件的匹配性難以控制。改造前后轉子級數、通流跨距、葉片長度、葉片型式及葉片數量等均發生了較大變化，與現場不更換的汽輪機外缸匹配難度大；

3)行車資源需求量大。施工階段涉及大量的汽輪機新、舊部件的拆裝和吊運，整個通流改造對行車資源的需求量遠遠大于常規汽輪機解體；

4)通流間隙測量調整工作復雜。所有的通流間隙測量必須按照新機安裝的標準執行，需要檢修人員反復測量修正，工作復雜，作業風險大；

5)軸系中心找正難度高。軸系中心必須按照新機安裝要求重新調整，既要兼顧原有基礎的沉降、又要保證軸系中心的找正質量，施工難度高；

6)管道焊接質量控制難。通流改造引起了汽、水、油大量相關管道的更換，這些管道絕大部分為焊接管道，焊口數量多，焊接實施的質量難以控制；

7)潤滑油系統開口防異物要求高。施工期間，汽輪機潤滑油系統幾乎完全處于開口狀態，增大了異物和粉塵進入潤滑油系統的風險，對油系統的清潔度控制極為不利。

3 實施難點的主要應對措施

針對制約核電汽輪機通流改造實施總體質量的主要技術難點，在項目實施過程中采取了一系列有針對性的技術方案及控制措施，主要有：

3.1 監理單位駐廠監造與業主見證有機結合

采取了設備監造與業主見證相結合的質量控制方法。一方面委托有資質的監理單位派專業的監理工程師進駐制造廠監造，對汽輪機設備的制造過程開展全方位監督；另一方面，發揮業主的管理優勢，結合核電廠質量管理的特點加強對制造廠的質量管控。例如：

1)在重要部件開始制造前設置“開工條件審查”見證W點，對制造廠質量保證體系進行審查，確保各項先決條件符合HAF003《核電廠質量保證安全規定 1991》以及HAD003/03《核電廠物項和服務采購中的質量保證1986》的相關要求；

2)對重要的檢驗、制造節點設置業主見證W點或H點，及時發現影響制造質量及進度的質量問題，并快速協調解決。

3.2 加固廠區道路、改造行車，保證運輸與起重安全

受電廠工藝系統布置特點制約，部分廠區道路承載能力較差，特別是在進入保護區的部分路面，平均載荷僅為10 t/m2，不滿足汽輪機大件運輸需求。經過核算后，提前對廠區道路薄弱環節進行了加固處理。在運輸路線上所有過路電纜溝、管溝的路寬范圍及車輪可能壓到的蓋板下都砌筑磚墻，并在溝內設置槽鋼立柱，既保證了汽輪機部件的運輸安全，又保護了管溝、電纜溝內的設備設施安全。

汽輪機通流改造后，1號低壓轉子及中間軸組件的整體質量由改造前的63.6 t提高到73.8 t，包含吊具的整體起重質量達到76.1 t，超出原汽機廠房行車75 t的允許最大載荷。因此，對行車主梁底部受力最大的跨中區域加“π”型梁加固，并對主起升機構進行了配套升級，使行車允許最大載荷提升到80 t，滿足了汽輪機通流改造后的起重需求。

3.3 在線加工高壓外缸腰帶及低壓外缸導流錐

采用三維測量及在線加工技術，消除了汽輪機新舊部件之間的配合尺寸偏差，為高壓內缸、低壓轉子的順利就位創造了基本的技術條件。如在高壓缸解體后采用三維成像測量技術，對高壓外缸與高壓內缸、靜葉持環的配合尺寸進行了準確的測量，確定了高壓外缸腰帶的加工要求，并采用專用在線鏜床對高壓外缸各個腰帶部位進行了精確加工，順利裝入高壓內缸及靜葉持環。在低壓轉子安裝時，為適應低壓轉子通流跨距增大的需求，現場采用專用鋸片式銑刀對導流錐端面進行了加工，增大了低壓外缸兩端導流錐的端面距離。

3.4 改進檢修工器具，降低對行車的依賴

為提高檢修行車資源的利用效率、增加檢修有效作業時間，結合汽輪機檢修特點對部分檢修工器具進行了改進，提高了作業安全性，大大降低了對行車的依賴。典型的工器具改進包括：

1)設計開發靜葉持環及隔板的專用擱架，使靜葉持環及隔板可按照安裝的方位直接垂直放置，提高了起重作業效率及吊裝安全性，節省大量作業時間；

2)開發制作專用電動檢修盤車，使汽輪發電機組軸系中心測量調整工作不再需要行車配合，顯著提高了汽輪機軸系中心測量調整的安全系數和工作效率。

3.5 優化關鍵工序的檢修工藝，提升工作質量及效率

針對汽缸加熱螺栓的拆裝、通流間隙測量及軸系中心找正等關鍵剛性工序的檢修工藝及測量方法進行了優化：

1)通過優化汽缸中分面螺栓的拆裝工序避免“窩工”現象。同時，采用更為先進的渦流高頻加熱技術，大大提高了汽缸螺栓的拆裝效率和一次成功率；

2)采用楔形通流間隙測量尺替代傳統的塞尺，顯著縮短了通流間隙的測量時間；

3)采用三維激光跟蹤儀測量各個軸承中分面的相對標高，并與理論計算值對比，獨立驗證軸系中心找正結果，提高了中心測量的準確性；

4)通過優化聯軸器銷子螺栓及螺母的安裝位置，同時輔以“車削螺母減重”的方法，使聯軸器任意中心線兩側的螺栓及螺母總質量偏差不大于2 g，大大降低不平衡量。

3.6 提高油、汽、水管道的焊接質量

汽輪機通流改造涉及各類口徑、材質的焊縫數量總計達到543道。核電廠管道焊縫檢查及驗收標準是：“檢查發現焊縫存在超標缺陷時，再抽查該缺陷焊縫焊工所焊的焊縫，再抽查的焊縫數量為存在超標缺陷焊縫的2倍。如再抽查的焊縫中又發現焊縫存在超標缺陷，則該焊工所焊的全部焊縫進行100%射線檢查(RT)。”[3]為滿足這一嚴格的焊縫檢驗要求，針對本項目涉及的油、汽、水管道的焊接質量控制提出了三項技術改進措施：

1)通過材質光譜分析，逐一核實焊接母材信息，為焊接工藝卡編制提供正確的信息；

2)針對每一道焊縫編制焊接質量計劃，實行100%見證，提高焊縫的焊接一次成功率；

3)執行100%無損檢測要求，確保所有焊縫質量可知、可控。

3.7 嚴格控制潤滑油系統的清潔度

通流改造期間，通過加強防異物管理及優化檢修工藝，使潤滑油系統的清潔度得到了保證，提高了潤滑油品質，具體技術措施有：

1)對開口封堵物逐項登記造冊，系統恢復前逐項拆除并檢查簽字，防止遺漏；

2)設置清潔度檢查H點，獨立檢查系統清潔度；

3)所有焊縫均采用“氬弧打底加電焊蓋面”或“全氬弧”的焊接，防止焊渣成為異物；

4)提高清潔度驗收要求，做到“采用白手套擦拭內壁無明顯變色”，方可驗收；

5)采用離線濾油及多臺濾油機同時濾油的策略，提高潤滑油系統沖洗效率和效果。

4 核電汽輪機通流改造效果評價

在本次核電汽輪機的通流改造實施過程中，通過改進安裝方法、制作專用工裝、優化檢修工藝、強化質量控制等措施大大提高了機組安裝效率和安裝質量。如汽缸螺栓的加熱拆除時間由原來的20 min/顆縮短到3 min/顆；汽輪機整個軸系完成一次百分表安裝和對中測量的時間由原來的1 h縮短到約20 min；潤滑油系統沖洗時間由原來的72 h縮短為36 h。整個作業期間未出現異物失控、設備損傷、人員傷害等事件，各類汽、水、油管道的焊縫質量檢查100%合格，安全質量狀況總體良好。改造后經過一個燃料循環的運行狀態跟蹤，確認與安裝質量相關的各項關鍵運行參數均優于改造前，具體如表2所示。

表2 安裝質量相關的各項關鍵運行參數對比

續表

通過此次300 MW級核電汽輪機的通流改造，基本解決了該機型的設計缺陷及長期運行積累的疑難問題。改造后的核電汽輪發電機組熱力性能試驗結果表明：機組在TMCR工況，修正至設計條件下發電機出線端電功率由320 MW提升為357 MW，汽輪機發電熱效率由34.28 %提高到35.86 %，機組性能得到顯著提升，滿足各項性能指標保證要求[4]。

300 MW級核電汽輪機通流改造系國內首次實施，在核電汽輪機組通流改造相關的設備制造質量及安裝質量控制方面積累了寶貴的工程經驗，對國內其他核電機組開展運行許可證延續技術研究及汽輪機通流改造具有一定的示范意義。