AP1000主泵制造工藝及監(jiān)造

顧健　郭鵬

摘 要：文章總結(jié)了AP1000主泵主要部件的制造工藝，結(jié)合實(shí)際設(shè)備監(jiān)造工作，對可能影響到今后電廠調(diào)試、運(yùn)行、維修的相關(guān)問題進(jìn)行了分析，提出了AP1000主泵設(shè)備監(jiān)造中需要關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：AP1000；主泵；制造工藝；設(shè)備監(jiān)造

1 AP1000屏蔽式主泵簡介

AP1000反應(yīng)堆系統(tǒng)采用雙回路，每一回路中包括兩臺主泵，這兩臺主泵的泵殼直接焊接在蒸汽發(fā)生器的水室封頭上，主泵的出口與主管道冷管段連接，泵體布置在上端，電機(jī)在下端。這種布置取消了主管道的過渡段，減小了環(huán)路壓降。

AP1000主泵為單級、全密封、高轉(zhuǎn)動慣量的屏蔽式離心泵。圖1為AP1000主泵的結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖中可以看出，AP1000主泵的水力部件直接安裝在電機(jī)上。主泵的整個(gè)轉(zhuǎn)子組件（包括水力部件和電機(jī)轉(zhuǎn)子）由位于電機(jī)兩端的徑向軸承和下部的雙向推力軸承支承。承壓殼體（主要包括泵殼、熱屏、定子冷卻夾套、定子殼體和定子端蓋等部件）承受反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的全部壓力。電機(jī)的定子內(nèi)部和轉(zhuǎn)子外部分別包覆著屏蔽套，避免了定子繞組和轉(zhuǎn)子與主冷卻劑接觸。

AP1000主泵不同于傳統(tǒng)的屏蔽泵，無論從功率、重量和體積都是目前已知最大的屏蔽泵，并且在結(jié)構(gòu)上增加了上、下兩個(gè)飛輪組件。由于AP1000系統(tǒng)以及AP1000主泵結(jié)構(gòu)的特殊性，AP1000主泵的部分設(shè)計(jì)參數(shù)也與國內(nèi)其他二代改進(jìn)型核電廠的主泵有所不同。

2 AP1000主泵主要部件的制造

2.1 定子組件的制造

AP1000主泵的定子組件位于泵體的外側(cè)，主要由定子繞組組件、定子殼體法蘭、定子冷卻夾套、定子上端蓋、定子下端蓋、定子屏蔽套等部件裝配而成。

2.2 定子繞組組件

與普通電機(jī)的定子繞組組件類似，AP1000主泵定子繞組組件的制造可以分為兩個(gè)階段：首先是定子鐵芯的制造，然后是在定子鐵芯的基礎(chǔ)上進(jìn)行繞組線圈的裝配。

定子鐵芯的制造流程主要為：硅鋼片疊裝——疊片與拉筋、指壓板焊接——鐵芯熱點(diǎn)、長度、內(nèi)徑的直線度和跳動值等檢查——最終機(jī)加工——最終檢查。

定子鐵芯由硅鋼片疊裝而成，疊裝時(shí)采用芯軸胎具作為導(dǎo)向支撐，此芯軸胎具還帶有氣動脹緊功能，同時(shí)在疊裝時(shí)還要不斷使用液壓裝置將硅鋼片壓實(shí)（壓力約為10000N），最后在兩側(cè)利用指壓板進(jìn)行固定。在疊裝完成后，要將拉筋、指壓板與硅鋼片組合焊接，形成完整的定子鐵芯，然后進(jìn)行相關(guān)檢查。

在定子鐵芯制造的設(shè)備監(jiān)造過程中，要重點(diǎn)關(guān)注定子鐵芯的相關(guān)檢查。定子鐵芯的疊裝過程中，硅鋼片之間可能會產(chǎn)生熱點(diǎn)，影響該區(qū)域的絕緣效果，從而可能導(dǎo)致主泵運(yùn)行過程中定子的部分區(qū)域溫度過高，因此，要重點(diǎn)關(guān)注定子鐵芯疊裝的熱點(diǎn)檢查。熱點(diǎn)檢查時(shí)，在定子鐵芯上纏繞勵磁繞組，繞組中通過一定的電流，使之在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生接近飽和狀態(tài)的交變磁場，鐵芯在交變磁場中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使鐵芯發(fā)熱，同時(shí)使那些鐵芯中絕緣受損或劣化部分產(chǎn)生較大的局部渦流，溫度急劇上升，這樣用紅外線測溫儀掃描即可查找到定子的局部過熱點(diǎn)。

在定子鐵芯制造完成后，即在定子鐵芯的基礎(chǔ)上進(jìn)行繞組線圈的裝配工作。定子繞組線圈裝配的流程主要為：安裝底部線圈——底部線圈的電氣試驗(yàn)——安裝頂部線圈——頂部線圈的電氣試驗(yàn)——在繞組上端將每一個(gè)頂部線圈銅棒與底部線圈銅棒進(jìn)行銅焊并綁扎絕緣帶——電氣試驗(yàn)——安裝定子溫度計(jì)——電氣試驗(yàn)——VPI（兩次）——電氣試驗(yàn)。

在定子繞組裝配過程的設(shè)備監(jiān)造中，要重點(diǎn)關(guān)注銅焊及絕緣帶綁扎的質(zhì)量、VPI的控制以及相關(guān)電氣試驗(yàn)。AP1000主泵電機(jī)的額定電壓較高（6900V），并且定子繞組的絕緣等級較高（“N”級，目前我國的電機(jī)制造中通常最高絕緣等級為“H”或“C”級，低于“N”級的要求），因此對于定子繞組的裝配要求也非常高。在定子繞組的裝配過程中，需要先后進(jìn)行兩次真空壓力浸漆（VPI），以保證定子繞組組件的絕緣性能。同時(shí)還要進(jìn)行多次電氣試驗(yàn)（共計(jì)五次，每次電氣試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括接地絕緣阻抗試驗(yàn)、交流高壓絕緣試驗(yàn)、直流高壓絕緣試驗(yàn)等），通過這些電氣試驗(yàn)來檢查和驗(yàn)證定子繞組裝配后的絕緣性能是否滿足要求。定子繞組的絕緣性能，將直接影響AP1000主泵的整體運(yùn)行壽命。

2.2.1 定子殼體法蘭

定子殼體法蘭為AP1000主泵中尺寸最大的部件，其上端通過主法蘭與泵殼連接，下端通過不銹鋼法蘭與定子下端蓋連接。定子殼體法蘭由三個(gè)鍛件組裝焊接而成，分別為：碳鋼主法蘭、碳鋼殼體、不銹鋼法蘭。其中，碳鋼殼體、法蘭的鍛件材料為SA508 Gr.1，不銹鋼法蘭鍛件的材料為SA336 F304。

定子殼體法蘭為壓力邊界部件，因此對于定子殼體法蘭的焊接要尤為重視，在監(jiān)造過程中要重點(diǎn)關(guān)注焊接工藝的執(zhí)行以及相關(guān)NDE檢查工作。

2.2.2 定子冷卻夾套

定子冷卻夾套位于整個(gè)定子組件的最外側(cè)，設(shè)冷水將通過定子冷卻夾套，從定子殼體外側(cè)來冷卻定子繞組。

定子冷卻夾套由內(nèi)、外不銹鋼筒體和端環(huán)、導(dǎo)流環(huán)等焊接拼裝而成。其中內(nèi)、外不銹鋼筒體都由不銹鋼板卷制并縱向焊接而成。定子冷卻夾套的制造流程主要為：內(nèi)筒體卷制、焊接——內(nèi)筒體上焊接導(dǎo)流環(huán)——外筒體卷制、焊接——外筒體與內(nèi)筒體熱套裝配——上、下端環(huán)與夾套筒體組件焊接。在進(jìn)行定子冷卻夾套制造的監(jiān)造時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注熱套裝配前的尺寸、熱套裝配的過程以及端環(huán)焊接后的NDE檢查。

2.2.3 定子屏蔽套

屏蔽套的材料為耐腐蝕、非磁性的Hastelloy C276合金。該材料為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，含有較高的鉬、鉻含量，并含有一定量的鎢元素，使得這種材料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，同時(shí)，Hastelloy C276合金的熔點(diǎn)超過1300℃，因此是非常理想的耐高溫抗腐蝕材料。定子屏蔽套的長度為3660mm，而屏蔽套的厚度僅為0.39mm，在主泵組裝后定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子屏蔽套之間的空隙不到5mm。由于屏蔽套的厚度和兩個(gè)屏蔽套之間的空隙都非常小，因此對于屏蔽套的直徑尺寸公差要求非常高（公差為±0.076mm）。

屏蔽套由兩塊薄板拼接而成。制造工序主要為：精密剪裁——滾壓成型——縱向鎢極氬弧自動焊——尺寸檢查——PT、RT檢查——目視檢查。在屏蔽套的制造及設(shè)備監(jiān)造中，要重點(diǎn)核對制造過程中的尺寸檢查以及焊縫的NDE檢查。

2.3 轉(zhuǎn)子組件的制造

AP1000主泵的轉(zhuǎn)子組件主要由轉(zhuǎn)子軸組件、飛輪組件、軸承組件、葉輪等部件裝配而成。

2.3.1 轉(zhuǎn)子軸組件

轉(zhuǎn)子軸組件由轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子鐵芯組成。轉(zhuǎn)子軸既作為電機(jī)軸，又作為泵軸。轉(zhuǎn)子軸的材料為ASTM A336，在精加工完成后，需要在轉(zhuǎn)子軸與端環(huán)連接處進(jìn)行隔離過渡層堆焊，并進(jìn)行焊后熱處理以及相關(guān)NDE檢查。

轉(zhuǎn)子鐵芯的制造與定子鐵芯類似，也是由硅鋼片疊裝而成。硅鋼片直接套在轉(zhuǎn)子軸上，兩端由疊裝板固定，在硅鋼片的外側(cè)沿軸向分布有一個(gè)個(gè)的槽道，槽道中將安裝銅棒，銅棒的兩端與連接環(huán)進(jìn)行銅焊形成感應(yīng)電流的閉合回路。轉(zhuǎn)子鐵芯的外側(cè)包覆轉(zhuǎn)子屏蔽套，轉(zhuǎn)子屏蔽套的兩端與端環(huán)進(jìn)行焊接。在轉(zhuǎn)子軸組件裝配完成后，還需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)、氦檢漏試驗(yàn)以及動平衡試驗(yàn)。

2.3.2 飛輪

每臺AP1000主泵上有兩個(gè)飛輪，分別位于轉(zhuǎn)子組件的上部和下部。上飛輪的高度比下飛輪更大。飛輪內(nèi)部包含有高密度鎢合金塊，因此重量較大（上飛輪為3.18噸，下飛輪為2.18噸），保證了AP1000主泵的高轉(zhuǎn)動慣量，從而保證了惰轉(zhuǎn)情況下的冷卻劑流量滿足設(shè)計(jì)要求。

上、下飛輪的結(jié)構(gòu)相同（如圖2所示）。每個(gè)飛輪內(nèi)部包含12個(gè)扇形的鎢合金塊（材料為ASTM B777），鎢合金塊的內(nèi)側(cè)開有凹槽，正好可以與輪轂外緣面上的凸起相配合。在鎢合金塊裝配至輪轂上之后，再進(jìn)行緊固環(huán)的熱套裝配，通過過盈配合實(shí)現(xiàn)對鎢合金塊的固定。在飛輪的上、下端還焊有蓋板，最外側(cè)焊有一層外殼，蓋板和外殼都是由Inconel 625合金材料制成，可以使鎢合金塊和緊固環(huán)與主冷卻劑隔離開。此外，每一個(gè)飛輪還需要進(jìn)行動平衡試驗(yàn)以及125%額定轉(zhuǎn)速下的超速試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)工況下飛輪組件的完整性。

飛輪制造的主要流程為：飛輪輪轂加工——鎢合金塊與輪轂進(jìn)行組對——緊固環(huán)熱套裝配——端面的機(jī)加工——動平衡試驗(yàn)——超速試驗(yàn)——緊固環(huán)外表面PT檢查——上、下端蓋板的焊接——外殼熱套并與蓋板外緣進(jìn)行焊接——最終動平衡——氦檢漏試驗(yàn)。在飛輪制造的監(jiān)造過程中，要重點(diǎn)關(guān)注飛輪的超速試驗(yàn)（包括超速試驗(yàn)后緊固環(huán)外表面的PT檢查，關(guān)系到飛輪組件的完整性）、動平衡試驗(yàn)以及氦檢漏試驗(yàn)。

2.3.3 軸承組件

AP1000主泵中包含有上、下推力軸承和上、下徑向軸承，都為水潤滑軸承。其中上、下推力軸承分別位于下部飛輪的上、下兩側(cè)；下部徑向軸承位于上部推力軸承的上側(cè)，兩者連為一體；上部徑向軸承位于上部飛輪的下端。

推力軸承與徑向軸承的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示（以下部徑向軸承和推力軸承為例）。每個(gè)推力軸承有6個(gè)瓦塊，每個(gè)徑向軸承有4個(gè)瓦塊，軸承瓦塊的材料為碳石墨，瓦塊后端連有平衡板，一起安裝在不銹鋼瓦托內(nèi)，軸承最外側(cè)為軸承套筒。上、下部推力軸承分別位于下部飛輪的上、下兩側(cè)，瓦塊分別與推力盤的工作面接觸。

對于軸承組件，在設(shè)備監(jiān)造中需要重點(diǎn)關(guān)注采購件的相關(guān)文件審查；瓦塊表面的平整度和光潔度檢查；推力盤工作面的平面度檢查、硬度檢測和PT檢測。

2.3.4 葉輪

AP1000主泵的葉輪材料為ASTM A743，為一體式鑄件，泵軸與葉輪裝配的配合面有一定錐度，并且有裝配葉輪的臺階，保證了裝配精度。

葉輪制造的主要工序?yàn)椋捍旨庸ぁ跏紕悠胶狻_螺紋孔——精加工——表面PT檢查——最終尺寸檢查——最終動平衡。由于葉輪的曲線較復(fù)雜，并且公差要求很?。ㄖ睆匠叽绻顬?.1mm）。因此對機(jī)加工的設(shè)備要求很高（五軸聯(lián)動加工中心）。

3 AP1000主泵制造中的設(shè)備監(jiān)造重點(diǎn)

3.1 加強(qiáng)對設(shè)計(jì)文件的消化和理解

根據(jù)主泵設(shè)計(jì)規(guī)范書的要求（7.5.1.5），為了保證飛輪的完整性，飛輪緊固環(huán)材料需要進(jìn)行UT和PT的檢查，相關(guān)NDE檢查應(yīng)符合ASME NB-2000的要求。而根據(jù)ASME NB-2547的規(guī)定，UT檢查可以在鍛造之后的任意時(shí)間進(jìn)行，但是PT檢查則必須在部件的成品狀態(tài)下進(jìn)行。在設(shè)備監(jiān)造過程中，監(jiān)造人員發(fā)現(xiàn)飛輪緊固環(huán)僅在分包商處進(jìn)行了UT和PT檢查，之后在制造廠進(jìn)行機(jī)加工之后（即最終裝配前的成品狀態(tài)）并無PT檢查。

在發(fā)現(xiàn)問題后，監(jiān)造人員與制造廠進(jìn)行溝通和多次技術(shù)澄清，最終判定制造廠的做法確實(shí)違反了設(shè)計(jì)要求，為此制造廠將所有已完成制造的飛輪開出了外部不符合項(xiàng)，并陸續(xù)升版了相關(guān)圖紙、材料采購文件、制造工藝流轉(zhuǎn)卡和質(zhì)量計(jì)劃等。

通過這一問題的處理過程，充分說明了設(shè)備監(jiān)造人員需要對于設(shè)計(jì)規(guī)范和其引用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分理解，以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)造工作，并在設(shè)備監(jiān)造過程中檢查制造廠的工藝規(guī)程是否與設(shè)計(jì)要求和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致。這樣才能減少設(shè)備制造過程中可能帶來對電廠調(diào)試、運(yùn)行、維修的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 部件的焊接

在AP1000主泵的制造中，含有多項(xiàng)焊接操作，而其中很多部件為壓力邊界材料，這些焊接工藝的質(zhì)量，直接影響著主泵乃至整個(gè)電廠運(yùn)行的安全，需要在監(jiān)造過程中重點(diǎn)關(guān)注，主要有：

3.2.1 定子殼體法蘭制造過程中的焊接

AP1000主泵的定子殼體法蘭由三個(gè)大鍛件焊接拼裝而成，分別為碳鋼殼體、碳鋼主法蘭、不銹鋼法蘭。制造時(shí)，碳鋼主法蘭與碳鋼殼體首先進(jìn)行焊接拼裝，然后拼裝好的碳鋼殼體法蘭再與不銹鋼法蘭進(jìn)行焊接拼裝形成整體的定子殼體法蘭，最后進(jìn)行整體精加工及法蘭開孔、尺寸檢查等。這兩次主要的焊接操作都是使用的窄間隙埋弧焊，這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是焊縫的機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性優(yōu)于傳統(tǒng)的寬坡口埋弧焊，并且與傳統(tǒng)埋弧焊相比效率更高，更加節(jié)省焊材。但由于坡口間隙窄，層間清渣困難，窄間隙埋弧焊對于焊劑的要求更高，同時(shí)還要求焊絲在坡口內(nèi)要有非常準(zhǔn)確地定位，對間隙的變化有較嚴(yán)格的限制，對于焊接參數(shù)，特別是電壓的波動以及熱裂紋的敏感性大。另外，由于碳鋼殼體法蘭與不銹鋼法蘭的焊接為異種材料焊接，因此在拼裝焊接前需要先在碳鋼殼體的坡口進(jìn)行隔離層堆焊（buttering），利用鎳基材料作為兩者之間的過渡，以保證拼裝焊接質(zhì)量。綜合以上因素，在進(jìn)行定子殼體法蘭焊接的設(shè)備監(jiān)造時(shí)，在焊接前要重點(diǎn)核對焊材的牌號是否與WPS的要求相符，檢查焊接前的工裝是否正確；在焊接過程中要檢查焊接參數(shù)（預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓、焊接速度等）是否滿足WPS的要求。

3.2.2 屏蔽套的焊接

屏蔽套的作用是保護(hù)定子繞組組件和轉(zhuǎn)子組件免于接觸主冷卻劑，因此其密封性和完整性對于主泵運(yùn)行的安全和壽命有著直接聯(lián)系，而屏蔽套焊接的質(zhì)量將對此起著決定性的作用。屏蔽套由兩塊薄板卷制、焊接后成型，因此屏蔽套上有兩道縱焊縫。屏蔽套的焊接采用鎢極氬弧自動焊，在屏蔽套焊接前，薄板原材料向焊機(jī)上的安裝、定位由人工調(diào)整完成，而屏蔽套對于焊接的精度要求非常高（焊接完成后直徑尺寸公差為±0.076mm）。此外，定子屏蔽套與定子組件裝配時(shí)的焊接（與定子端蓋的焊接）也是制造過程中的難點(diǎn)之一，該焊接同樣采用鎢極氬弧自動焊，全自動旋轉(zhuǎn)擺弧一次成型。在屏蔽套焊接過程的設(shè)備監(jiān)造中，要重點(diǎn)關(guān)注焊接前的調(diào)整、組對以及焊接過程中的參數(shù)是否滿足要求，在焊接后要重點(diǎn)關(guān)注尺寸檢查的結(jié)果是否滿足圖紙公差要求。

3.3 機(jī)械加工

AP1000主泵的部分部件形狀較復(fù)雜（如葉輪等），部分部件尺寸精度較高（如推力盤、屏蔽套薄板等），這些部件也對機(jī)械加工設(shè)備和測量設(shè)備提出了較高的要求。

AP1000主泵的葉輪為復(fù)雜曲面部件，具有空間曲面輪廓造型，在設(shè)計(jì)時(shí)即采用三維CAD進(jìn)行建模，并且葉輪的尺寸是否滿足公差將直接影響到整臺主泵的水力性能是否達(dá)標(biāo)，因此采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已經(jīng)無法滿足要求。對于葉輪的加工，需要采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，以滿足部件的設(shè)計(jì)尺寸。

另外，AP1000主泵部件的尺寸公差要求也非常小，如推力盤的平面度公差要求為0.013mm，定子鐵芯內(nèi)徑的跳動值公差要求為0.2mm；轉(zhuǎn)子軸的跳動值公差要求為0.15mm等。為了滿足如此高的尺寸公差，不但要求使用精度較高的機(jī)械加工設(shè)備和測量設(shè)備（如三坐標(biāo)測量儀CMM），更要求在機(jī)械加工過程和尺寸測量中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)程序和質(zhì)保要求。這也是設(shè)備監(jiān)造過程中的監(jiān)督重點(diǎn)。

3.4 部件的裝配

除加工尺寸要求較高外，AP1000主泵對于部件之間的裝配精度也同樣要求很高。同時(shí)，AP1000主泵部件的裝配以及最后泵的總裝過程中都大量使用了熱套裝配的方法（如定子冷卻夾套與定子殼體的裝配、推力盤與轉(zhuǎn)子軸的裝配、飛輪緊固環(huán)的裝配等），這種方法很容易實(shí)現(xiàn)部件之間的過盈配合，但對部件加熱溫度的控制（溫度過高會影響材料性能）以及裝配的時(shí)間（時(shí)間過長會導(dǎo)致溫度下降過多）要求較高。

總之，對于AP1000主泵部件的裝配，在進(jìn)行監(jiān)造時(shí)要關(guān)注裝配尺寸的測量，對于熱套裝配，還需要重點(diǎn)檢查溫度測量的有效性、升溫保溫是否滿足要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)AP1000主泵的實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)，由于AP1000主泵為首次設(shè)計(jì)和制造，在設(shè)備制造、試驗(yàn)過程中不可避免的會出現(xiàn)一些問題。因此，在主泵的設(shè)備監(jiān)造過程中，需要加強(qiáng)對設(shè)計(jì)文件的消化理解和審查，重點(diǎn)關(guān)注主泵試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題尋找設(shè)備制造、監(jiān)造過程中可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，協(xié)調(diào)各方一起積極的處理和解決，從而避免對將來主泵調(diào)試、運(yùn)行、維修帶來影響。

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作者簡介：顧健（1977-），男，遼寧大連人，工作單位：中國核能電力股份有限公司，職務(wù)：主管，研究方向：項(xiàng)目管理。