機(jī)械密封組件檢修工具數(shù)字化應(yīng)用實(shí)踐

張明濤，葛行部，張恒碩

1. 浙江東核電力設(shè)備工程有限公司 浙江杭州 310015

2. 山東化工技師學(xué)院 山東滕州 277500

3. 濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東濟(jì)南 250103

1 序言

目前我國(guó)在役運(yùn)行的壓水堆電站大多采用軸封式主泵，其中機(jī)械密封組件是主泵的重要組件，它可以保證正常工況下放射性反應(yīng)堆冷卻劑不會(huì)經(jīng)由主泵向外泄漏。由于機(jī)械密封組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精密，裝配精度高，現(xiàn)場(chǎng)檢修難度大，特根據(jù)核電站現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)制作一種主泵機(jī)械密封組件檢修工具，以應(yīng)用于復(fù)雜且有一定輻射劑量的場(chǎng)合，以縮短電站大修工期，保證主泵的檢修質(zhì)量，保障電站的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2 主泵與機(jī)械密封組件結(jié)構(gòu)概況

主泵是壓水堆電站一回路系統(tǒng)中唯一的高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，被形象地喻為電站的“心臟”，它屬于核安全Ⅰ級(jí)泵，價(jià)格非常昂貴。在當(dāng)前階段，世界上有資質(zhì)、有能力生產(chǎn)它的廠家屈指可數(shù)，它的在役運(yùn)行可靠性直接關(guān)系著整個(gè)電站的運(yùn)行狀況和安全性能。主泵的運(yùn)行條件非常苛刻，所泵送的介質(zhì)是壓力152bar（1bar=0.1MPa，下同）、溫度290℃的一回路放射性冷卻劑。考慮電站運(yùn)行的安全和環(huán)保，要求主泵的泄漏量最小、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性最高，以保障電站長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1，2]。

壓水堆電站的主泵為立式、單級(jí)、混流式軸封泵，泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件主要由3段軸和軸承等構(gòu)成，即上泵軸、機(jī)械密封組件、可拆軸、下泵軸和軸承等部件（見(jiàn)圖1）。反應(yīng)堆冷卻劑從底部軸向進(jìn)入，水平徑向高壓泵出。主泵在電站工藝系統(tǒng)流程中的位置如圖2所示。

圖1 主泵結(jié)構(gòu)

圖2 電站工藝系統(tǒng)流程

反應(yīng)堆冷卻劑沿泵軸的防泄漏，由三級(jí)串聯(lián)布置的機(jī)械密封系統(tǒng)控制。壓力略高于反應(yīng)堆冷卻劑壓力的密封注入水，阻止一回路帶放射性的冷卻劑向上流入主泵水導(dǎo)軸承和機(jī)械密封，并冷卻水導(dǎo)軸承和密封部件。在可控制泄漏密封之后，密封泄漏液一部分被回收和排出；另一部分密封注入水流過(guò)兩道串聯(lián)布置的二、三級(jí)密封，并在這兩道密封處通過(guò)高壓和低壓管道排出，以保證正常工況下放射性反應(yīng)堆冷卻劑不會(huì)經(jīng)由主泵向外泄漏[3]。

機(jī)械密封組件采用模塊化設(shè)計(jì)、集成式裝配，可以從可拆軸處使用專用檢修工具整體拆卸下來(lái)進(jìn)行更換。根據(jù)主泵生產(chǎn)商提供的主泵使用維護(hù)要求，電站必須對(duì)機(jī)械密封組件進(jìn)行定期的保養(yǎng)檢查。考慮到電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)機(jī)械密封運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均正常的情況下，通常選擇在電站換料停堆維護(hù)期間僅對(duì)1臺(tái)主泵進(jìn)行拆檢，兩臺(tái)主泵輪流進(jìn)行維護(hù)。通常電站會(huì)為每個(gè)機(jī)組配1套機(jī)械密封組件作為備件，停堆期間直接更換備件，以保證待維護(hù)的主泵能隨時(shí)投運(yùn)到電站生產(chǎn)中，不致影響到電站的正常運(yùn)行。

3 手動(dòng)檢修工具的應(yīng)用分析

某電站該型主泵的機(jī)械密封組件的最大直徑為435mm，高度為320mm，質(zhì)量約500kg。其與主泵軸頭配合間隙較小（理論間隙為0～0.02mm），故拆裝風(fēng)險(xiǎn)大。機(jī)械密封承擔(dān)主泵整個(gè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的循環(huán)工作，若機(jī)械密封安裝質(zhì)量不佳，可能會(huì)導(dǎo)致泄漏而引起油泵頻繁起動(dòng)甚至軸瓦燒毀，而且機(jī)械密封安裝不到位還可能使?jié)櫥托孤┻M(jìn)入主系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致停機(jī)停堆的嚴(yán)重后果。

某電站工作現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)械密封組件手動(dòng)檢修工具如圖3所示，根據(jù)曾經(jīng)使用過(guò)該工具的操作人員反饋，在維修時(shí)機(jī)械密封與泵軸之間或機(jī)械密封鍵槽與傳動(dòng)鍵之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡澀、咬死等現(xiàn)象。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)對(duì)該工具進(jìn)行模擬操作試驗(yàn)，過(guò)程簡(jiǎn)要如下：將手動(dòng)檢修工具的中心支撐旋入主泵軸端中心孔內(nèi)，將絲杠上部頂在支撐中心孔內(nèi)，下部頂在下泵軸中心孔內(nèi)，再通過(guò)鎖緊螺母使絲杠與上下泵軸形成剛性固定聯(lián)接。在工作時(shí)將連接盤與機(jī)械密封之間用螺栓牢牢緊固，然后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)大手輪使絲杠旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行拆卸[4]。

圖3 機(jī)械密封組件手動(dòng)檢修工具

經(jīng)過(guò)對(duì)該手動(dòng)工具的反復(fù)驗(yàn)證，我們與電站工程技術(shù)人員共同分析，結(jié)合以往同類型主泵維修經(jīng)驗(yàn)和主泵生產(chǎn)商提供的《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》，機(jī)械密封組件維修時(shí)發(fā)生卡澀、咬死等缺陷的原因歸納如下。

1）絲杠在安裝時(shí)與泵軸之間存在夾角偏差且同軸度超差。機(jī)械密封移動(dòng)時(shí)，中心支撐、絲杠、泵軸聯(lián)軸器等部件的制造偏差造成機(jī)械密封軸線與泵軸軸線產(chǎn)生同軸度偏差；連接盤與絲杠間的傳動(dòng)間隙也會(huì)使連接盤軸線與泵軸中心軸線之間產(chǎn)生相應(yīng)的偏擺，如圖4所示。根據(jù)《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》和電站維修支持處分享的主泵維修經(jīng)驗(yàn)，使用手動(dòng)檢修工具進(jìn)行維修時(shí)，連接盤安裝精度公差≤0.01mm是滿足現(xiàn)場(chǎng)維修保養(yǎng)順暢的先決條件，但囿于現(xiàn)場(chǎng)工作條件，連接盤安裝精度在很大程度上依賴現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作手感和經(jīng)驗(yàn)。

圖4 連接盤軸線與泵軸中心軸線之間產(chǎn)生偏擺

2）機(jī)械密封組件水平度超差。絲杠與連接盤之間存在傳動(dòng)間隙，使之發(fā)生傾斜，導(dǎo)致機(jī)械密封組件水平度無(wú)法保證，易發(fā)生卡澀。

3）機(jī)械密封裝配時(shí)，傳動(dòng)鍵與鍵槽配合不良，鍵槽中心線與泵軸中心線偏移量大，大于0.03mm。

4）維修保養(yǎng)過(guò)程缺乏可信、可測(cè)量的數(shù)據(jù)。

4 機(jī)械密封組件檢修工具的工藝思路和數(shù)字化應(yīng)用

我們通過(guò)以上分析，同時(shí)依據(jù)《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械密封組件檢修工具（見(jiàn)圖5～圖8），其在可拆軸和上泵軸壓蓋拆除后的540mm垂直空間內(nèi)，進(jìn)行精密定位及連接后，可以對(duì)機(jī)械密封組件進(jìn)行軸向下降和上升動(dòng)作，然后安全移出泵體，經(jīng)維修保養(yǎng)后導(dǎo)入泵體再裝配。在操作過(guò)程中導(dǎo)入數(shù)字化、智能化等技術(shù)手段，工具的運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)可以精密檢測(cè)和無(wú)損輸出，實(shí)時(shí)提供給現(xiàn)場(chǎng)工作人員，作為每一步操作的依據(jù)，規(guī)避了盲目行為和不當(dāng)操作，保全了維修保養(yǎng)部件的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。

圖5 機(jī)械密封組件檢修工具外觀

圖6 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖A（去掉機(jī)械密封）

圖7 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖B（帶機(jī)械密封）

圖8 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖C（從上泵軸方向俯視）

4.1 工藝思路

由于主泵的上泵軸和下泵軸的中心孔是精密研磨加工的，所以把它們作為檢修工具的設(shè)計(jì)、工藝定位基準(zhǔn)。

1）檢修工具的下定位錐套組件是以下泵軸的中心孔進(jìn)行定位，當(dāng)中心傳動(dòng)軸在主泵中心處定位時(shí)，需要通過(guò)操作手柄來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)下定位錐套組件，從而實(shí)現(xiàn)中心傳動(dòng)軸的上升以進(jìn)行剛性固定。

2）將檢修工具機(jī)械密封組件用螺釘通過(guò)連接板進(jìn)行結(jié)合固定，通過(guò)可調(diào)力矩電動(dòng)扳手來(lái)操作檢修工具，可以漸漸地將機(jī)械密封組件安全平穩(wěn)地拆卸下來(lái)。推薦設(shè)定安全扭矩值為6～10N·m。

3）在連接板上安裝有4路CMOS傳感器，其檢測(cè)的實(shí)時(shí)4路位移數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至多通道數(shù)字巡檢儀顯示板。操作人員通過(guò)觀察4路實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整相對(duì)應(yīng)位置的微調(diào)千分尺，就可以隨機(jī)對(duì)拆卸的機(jī)械密封部件進(jìn)行精準(zhǔn)地校正，以保障泵軸中心軸線的同軸度和機(jī)械密封的水平度在可控?cái)?shù)據(jù)范圍內(nèi)，繼而保護(hù)機(jī)械密封組件維修時(shí)不會(huì)產(chǎn)生卡澀、咬死等缺陷。

4.2 數(shù)字化、智能化應(yīng)用方案

在連接板內(nèi)部圓周均布立式安裝4路CMOS傳感器，激光輸出輸入點(diǎn)對(duì)正上泵軸的下端面。上泵軸的下端面是精加工基準(zhǔn)面，其與泵軸中心軸線是垂直的，連接板的上、下兩個(gè)平面經(jīng)過(guò)精密磨削加工，保證其安裝精度控制在≤0.012mm。

1）4路CMOS傳感器在安裝后，以連接板基準(zhǔn)面為檢驗(yàn)基準(zhǔn)，用千分表檢查4路CMOS的激光傳輸基準(zhǔn)面在同一平面內(nèi)，并且與連接板基準(zhǔn)面平行度≤0.012mm。

2）CMOS傳感器的精度選擇10μm等級(jí)。4路CMOS傳感器安裝時(shí)做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”，以與多通道巡檢儀顯示板相對(duì)應(yīng)。

3）CMOS傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)與檢修工具垂直移動(dòng)行程（最大行程360mm）匹配。

4）CMOS傳感器的投光部至受光部的光路傳輸無(wú)遮擋、無(wú)障礙物（見(jiàn)圖9）。檢測(cè)反射面必須清潔、無(wú)污物。

圖9 CMOS傳感器檢測(cè)模擬效果

5）連接板外側(cè)與CMOS傳感器安裝位置，對(duì)應(yīng)安裝有4套微調(diào)千分尺，CMOS傳感器測(cè)量基準(zhǔn)為上泵軸端平面。調(diào)節(jié)4套微調(diào)千分尺，使4路CMOS傳感器測(cè)量示值誤差≤0.012mm，以保證機(jī)械密封水平度不超差。 4套微調(diào)千分尺安裝時(shí)亦做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”，與多通道數(shù)字巡檢儀顯示板依次相對(duì)應(yīng)。

6）CMOS傳感器檢測(cè)的4路信號(hào)先通過(guò)數(shù)據(jù)線無(wú)損傳輸?shù)蕉嗤ǖ姥矙z儀，然后再經(jīng)過(guò)多通道數(shù)字巡檢儀對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)行處理，4路數(shù)據(jù)顯示在多通道數(shù)字巡檢儀的顯示板上（見(jiàn)圖10）。多通道數(shù)字巡檢儀顯示板的右側(cè)設(shè)置有調(diào)整按鈕，調(diào)整非常方便。數(shù)據(jù)也可以通過(guò)USB端口得以保存或者與電站控制系統(tǒng)進(jìn)行集成。數(shù)據(jù)線需要事先做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”。

圖10 多通道數(shù)字巡檢儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

7）多通道數(shù)字巡檢儀與CMOS傳感器共用一組電源，供電電源采用安全低壓直流電源，該電源體積小巧，質(zhì)量輕，容量高。這樣既可以直觀觀測(cè)各檢測(cè)點(diǎn)的誤差，方便調(diào)整，又可以脫離外接電源、電纜的限制，方便在現(xiàn)場(chǎng)狹小的空間移動(dòng)。CMOS傳感器電路原理如圖11所示。

圖11 CMOS傳感器電路原理

5 機(jī)械密封組件檢修工具的數(shù)字化應(yīng)用效果

我們把機(jī)械密封組件檢修工具在電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證：圖12為操作人員通過(guò)檢修工具與機(jī)械密封進(jìn)行連接固定。圖13為操作人員把機(jī)械密封組件成功拆卸下來(lái)，落到移動(dòng)托盤上，準(zhǔn)備移出泵體。圖14為操作人員通過(guò)觀察4路實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整相對(duì)應(yīng)的微調(diào)千分尺，就可以對(duì)拆卸的機(jī)械密封部件進(jìn)行精準(zhǔn)的校正，以保障泵軸中心軸線的同軸度和機(jī)械密封的水平度示值誤差≤0.012mm；檢修工具的升降動(dòng)作采用可調(diào)力矩電動(dòng)扳手進(jìn)行操作，可調(diào)力矩電動(dòng)扳手輸出扭矩控制在6～10N·m，這樣可以有效地保護(hù)機(jī)械密封組件和泵軸等部件在維修保養(yǎng)過(guò)程不會(huì)被拉傷、燒蝕及損毀。

圖12 機(jī)械密封組件現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

圖13 機(jī)械密封組件拆卸成功

圖14 機(jī)械密封組件安裝試驗(yàn)

通過(guò)以上的實(shí)踐驗(yàn)證，原手動(dòng)檢修工具需要多人約1個(gè)工作日的工作量，而新開(kāi)發(fā)的數(shù)字化檢修工具在電站經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用，與手動(dòng)檢修工具相比，約縮短3/4人力工時(shí)，大幅度地縮短了電站大修工期，減小了現(xiàn)場(chǎng)操作人員受核輻射輻照的風(fēng)險(xiǎn)，提高維修保養(yǎng)質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

該工具可陸續(xù)推廣應(yīng)用于其他類似發(fā)電機(jī)組，亦適用于我國(guó)自主核電技術(shù)之“華龍?zhí)枴睓C(jī)組，進(jìn)而帶來(lái)良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)數(shù)字化、智能化的技術(shù)裝備積極賦能水利、核能等領(lǐng)域的生產(chǎn)和建設(shè)，將有力促進(jìn)這些領(lǐng)域的低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展。