核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝理論與實(shí)驗(yàn)研究

朱　智，張立文，聶龍飛，周平鎮(zhèn)，申文飛

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連，116023）

核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝理論與實(shí)驗(yàn)研究

朱智，張立文，聶龍飛，周平鎮(zhèn)，申文飛

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連，116023）

轉(zhuǎn)子屏蔽套是AP1000核主泵的關(guān)鍵部件之一，轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝是其制造和裝配過(guò)程中最為關(guān)鍵的工序。文章首先對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝工藝進(jìn)行了理論分析，指出了影響轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝的主要因素，分析了原有熱套裝工藝失敗的原因，并針對(duì)原有熱套裝工藝的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。開(kāi)展了轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)的熱套裝工藝，可以延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝時(shí)間，降低了熱套裝的難度，提高了轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝成功率。

轉(zhuǎn)子屏蔽套；熱套裝；AP1000；核主泵

核主泵是核電站一回路系統(tǒng)中唯一的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，被喻為核島的心臟，屬于核安全一級(jí)設(shè)備。核主泵的制造是AP1000核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。轉(zhuǎn)子屏蔽套是AP1000核主泵的關(guān)鍵部件之一，將其套裝在轉(zhuǎn)子的外表面，可以防止轉(zhuǎn)子與反應(yīng)堆冷卻劑接觸，避免轉(zhuǎn)子受到冷卻劑的侵蝕。因此，轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造和裝配的精度及質(zhì)量直接影響核主泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)［1］。

AP1000核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套采用Hastelloy C-276合金薄板（0.381～0.70 mm厚）經(jīng)過(guò)剪裁和焊接工藝制造而成，其內(nèi)徑為550.00～560.00 mm，直徑公差為±0.076 mm，高度超過(guò)3 000.00 mm，其制造和裝配難度非常大。

實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子屏蔽套是無(wú)配合間隙裝配在轉(zhuǎn)子鐵芯上，所以裝配時(shí)需要采用熱套裝工藝，這是轉(zhuǎn)子屏蔽套制造和裝配過(guò)程中最為關(guān)鍵的工序。目前，有關(guān)核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝的資料較少，國(guó)外方面，美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)了AP600和AP1000型核主泵，泵內(nèi)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝是利用井式熱處理爐加熱轉(zhuǎn)子屏蔽套至熱套裝溫度，保溫一段時(shí)間，使轉(zhuǎn)子屏蔽套達(dá)到熱套裝狀態(tài)。然后，利用高速升降吊車(chē)吊裝轉(zhuǎn)子，快速插入到熱處理爐內(nèi)的轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)，待轉(zhuǎn)子屏蔽套冷卻收縮，箍在轉(zhuǎn)子上，將轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子屏蔽套一起吊出熱處理爐，完成轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝。國(guó)內(nèi)方面，相關(guān)企業(yè)多年前曾嘗試對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套進(jìn)行熱套裝，但是因熱套裝過(guò)程中轉(zhuǎn)子屏蔽套過(guò)早地卡在轉(zhuǎn)子上而導(dǎo)致熱套裝失敗。近年來(lái)哈爾濱電機(jī)廠引進(jìn)了美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000核電技術(shù)，擬采用升降轉(zhuǎn)子的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝。此外，大連理工大學(xué)有關(guān)人員［2-5］針對(duì)核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究。

本文首先對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝工藝進(jìn)行了理論分析，指出了影響轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝的主要因素，分析了熱套裝失敗的原因。針對(duì)原有熱套裝工藝的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并利用自制的轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)。

1　轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝理論分析

對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝過(guò)程進(jìn)行理論分析和有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)影響轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝的因素主要有兩個(gè)方面。一方面，轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造精度對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝有重要的影響，熱套裝前要求AP1000核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造公差為±0.076 mm，經(jīng)過(guò)剪裁和焊接工藝制造的轉(zhuǎn)子屏蔽套難以滿足熱套裝前的高精度要求。目前，大連理工大學(xué)的相關(guān)人員［6］針對(duì)剪裁和焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套難以滿足熱套裝前的高精度要求的難點(diǎn)，提出了采用精密真空蠕變熱脹形的方法對(duì)剪裁和焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進(jìn)行誤差治理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用真空蠕變熱脹形方法可以對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進(jìn)行誤差治理，使其滿足熱套裝前的高精度要求。另一方面，在轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造精度滿足要求的條件下，轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝成功與否的關(guān)鍵因素是轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝時(shí)間。在熱套裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套的冷卻速度很快，所允許的熱套裝時(shí)間很短，實(shí)際工藝中，轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝時(shí)間常常要控制在10 s內(nèi)。在熱套裝過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)子下降的速度過(guò)慢，所需的熱套裝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子就很可能在插入的過(guò)程中卡在轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)；如果轉(zhuǎn)子下降的過(guò)快，在摩擦力的作用下，轉(zhuǎn)子屏蔽套的表面很可能產(chǎn)生褶皺或撕裂，同樣會(huì)導(dǎo)致熱套裝失敗。為此，在原有熱套裝工藝的基礎(chǔ)上，提出了有效的控溫措施，對(duì)熱套裝過(guò)程中轉(zhuǎn)子屏蔽套的表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以適當(dāng)減緩熱套裝過(guò)程中轉(zhuǎn)子屏蔽套溫度的下降速度，延長(zhǎng)了允許的熱套裝時(shí)間，避免了熱套裝過(guò)程中轉(zhuǎn)子屏蔽套過(guò)早地箍在轉(zhuǎn)子表面，確保轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝順利完成。

2　轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證控溫措施的有效性，需要開(kāi)展轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)熱套裝的基本原理，設(shè)計(jì)并制造了轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1、表1所示。

利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)，其具體的操作方法如下：熱套裝實(shí)驗(yàn)前，將轉(zhuǎn)子屏蔽套置于加熱爐內(nèi)轉(zhuǎn)子屏蔽套的支撐底座上，同時(shí)將轉(zhuǎn)子懸于轉(zhuǎn)子屏蔽套的上方，移動(dòng)爐內(nèi)的支撐底座使轉(zhuǎn)子屏蔽套與轉(zhuǎn)子對(duì)中良好，關(guān)閉爐門(mén)。打開(kāi)電源，加熱轉(zhuǎn)子屏蔽套至熱套裝溫度后，保溫一段時(shí)間，使轉(zhuǎn)子屏蔽套溫度均勻。打開(kāi)爐門(mén)，使轉(zhuǎn)子以一定速度下降，直到轉(zhuǎn)子完全插入到轉(zhuǎn)子屏蔽套中。靜止一段時(shí)間，待轉(zhuǎn)子屏蔽套箍緊在轉(zhuǎn)子表面后，將轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子屏蔽套吊起，移出加熱爐，完成熱套裝。

圖1　轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1　Experimental apparatus of rotor can shrink fitting

表1　轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)規(guī)格及技術(shù)參數(shù)Table 1　Specifications and technical parameters of the experimental apparatus of the rotor can shrink fitting

3　轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)

利用上述熱套裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝實(shí)驗(yàn)。熱套裝實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)子屏蔽套的尺寸：高度為480.00 mm，壁厚為0.50 mm，內(nèi)徑為553.75 mm；實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子的尺寸：高度為510.00 mm，直徑為554.10 mm。具體的熱套裝實(shí)驗(yàn)方案如表2所示，熱套裝實(shí)驗(yàn)1中，采用原有的熱套裝工藝，熱套裝時(shí)間為15 s；熱套裝實(shí)驗(yàn)2中，采用改進(jìn)后的熱套裝工藝，熱套裝時(shí)間為30 s，兩組實(shí)驗(yàn)的熱套裝溫度均為400 ℃。

表2　熱套裝實(shí)驗(yàn)方案Table 2　Experimental scheme of shrink fitting

圖2所示為熱套裝實(shí)驗(yàn)后的轉(zhuǎn)子屏蔽套和轉(zhuǎn)子照片?？梢钥闯?，熱套裝實(shí)驗(yàn)1，在15 s的熱套裝時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子的下端并沒(méi)有完全插入轉(zhuǎn)子屏蔽套中。與熱套裝實(shí)驗(yàn)1相比，熱套裝實(shí)驗(yàn)2采用改進(jìn)的熱套裝工藝，可以看出，雖然熱套裝時(shí)間延長(zhǎng)到30 s，但轉(zhuǎn)子已經(jīng)完全插入轉(zhuǎn)子屏蔽套中。為了探究此套改進(jìn)的熱套裝工藝的套裝極限，將熱套裝時(shí)間設(shè)為50 s，結(jié)果在37 s時(shí)，轉(zhuǎn)子卡在轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)，無(wú)法繼續(xù)下降，可見(jiàn)此套改進(jìn)的熱套裝工藝允許的熱套裝時(shí)間最長(zhǎng)為37 s。

通過(guò)對(duì)比上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到提出的控溫措施放寬了對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝時(shí)間的限制，降低了熱套裝的難度，提高了轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝成功率。

圖2　熱套裝后的轉(zhuǎn)子屏蔽套和轉(zhuǎn)子Fig.2　Rotor can and rotor after the shrink fitting

4　結(jié)論

本文在對(duì)核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝工藝進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，指出了原有熱套裝工藝的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，開(kāi)展了轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)的熱套裝工藝，轉(zhuǎn)子可以完全插入到轉(zhuǎn)子屏蔽套中，且改進(jìn)的熱套裝工藝延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)子屏蔽套所允許的熱套裝時(shí)間，降低了熱套裝的難度，提高了轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝成功率。

致謝

本論文工作得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973項(xiàng)目）資助（2015CB057305），在此表示感謝。

［1］ 關(guān)銳， 高永軍. AP1000反應(yīng)堆主泵屏蔽套制造工藝淺析［J］. 中國(guó)核電， 2008， 1（1）： 49-53.（GUAN Rui， GAO Yong-jun. Analysis on the Manufacturing Process for AP1000 Reactor Coolant Pump Can［J］. China Nuclear Power，2008， 1（1）： 49-53. ）

［2］ ZHU Zhi， ZHANG Li-wen， GU Sen-dong. Experimental Study on the Transient Heat Transfer between Hastelloy C-276/Narrow Air Gap/Silicon Steel［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2013， 45： 221-226.

［3］ ZHU Zhi， ZHANG Li-wen， WU Qin-ke， et al. Experimental Study on the Thermal Contact Conductance of Hastelloy C-276 Based on the Steady-state Heat Flux Method［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer，2013， 41： 63-67.

［4］ 朱智， 張立文， 顧森東. Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態(tài)接觸換熱實(shí)驗(yàn)研究［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 43（3）： 877-882.（ZHU Zhi，ZHANG Li-wen， GU Sen-dong. Experimental Study on the Transient Contact Heat Transfer between Hastelloy C-276 and Silicon Steel ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2012， 43（3）： 877-882. ）

［5］ 張立文，朱智，雷明凱，等. 一種核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝設(shè)備［P］. 中國(guó)專(zhuān)利： ZL200910309886.7，2011-02-02.（ZHANG Li-wen， ZHU Zhi， LEI Mingkai， et al. A Shrink Fitting Apparatus for Reactor Coolant Pump Rotor Can［P］. Chinese Patents： ZL200910309886.7， 2011-02-02. ）

［6］ 張立文，朱智，雷明凱，等. 一種核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形工藝［P］. 中國(guó)專(zhuān)利：ZL201010141235.4，2011-08-31.（ZHANG Li-wen， ZHU Zhi， LEI Ming-kai， et al. A Vacuum Hot Bulge Forming Technique for the Reactor Coolant Pump Rotor Can［P］. Chinese Patents： ZL201010141235.4，2011-08-31. ）

Theoretical and Experimental Study on Shrink Fitting of Reactor Coolant Pump Rotor Can

ZHU Zhi， ZHANG Li-wen， NIE Long-fei， ZHOU Ping-zhen， SHEN Wen-fei
（School of Material Science and Engineering， Dalian University of Technology，Dalian， Liaoning Prov. 116023， China）

Rotor can is one of the key components in AP1000 reactor coolant pump. Shrink fitting is the most important procedure during the manufacturing process and the assembling process of reactor coolant pump rotor can. Firstly，the theoretical analysis was preformed to point out major factors affecting the shrink fitting process of rotor can and analyze the unsuccessful reason of the original shrink fitting of the rotor can. Then， the disadvantages of the original shrink fitting technology were pointed out and corresponding improved measures were taken. In addition， the shrink fitting experiments were carried out. The experimental results indicate that the improved shrink fitting technology can expand the shrink fitting time， which reduces the shrink fitting difficulty and improves the success ratio of the shrink fitting of the rotor can.

rotor can； shrink fitting； AP1000； reactor coolant pump

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0286-04

TM623

A

1674-1617（2016）03-0286-04

2015-12-20

朱 智（1985—），男，遼寧鐵嶺人，博士，畢業(yè)于大連理工大學(xué)。從事核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的精密制造和裝配工藝的研究工作。