核電站用泵的設(shè)計(jì)過(guò)程

張雪+寧尚鋒+劉青

[摘 要]本文主要論述了如何按照核安全法規(guī)（HAF003）以及壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（RCC-M）的要求進(jìn)行核電站用泵的設(shè)計(jì)，意在強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程要規(guī)范、要合理，既對(duì)泵設(shè)計(jì)自身有利，同時(shí)也為能達(dá)到法規(guī)和核安全局要求。

[關(guān)鍵詞]核電泵 RCC-M 抗震分析 設(shè)計(jì)過(guò)程

中圖分類號(hào)：TH38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）02-0096-01

隨著國(guó)內(nèi)核電大發(fā)展和核電泵國(guó)產(chǎn)化的程度日益加深，越來(lái)越多的核電站用泵要在國(guó)內(nèi)的各大泵廠設(shè)計(jì)制造，其設(shè)計(jì)過(guò)程也需要按照核安全法規(guī)（HAF003）以及壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（RCC-M）要求規(guī)范化、合理化，下面具體介紹下。

1.泵設(shè)計(jì)的輸入依據(jù)

這是一個(gè)龍頭性文件，是設(shè)計(jì)工作的依據(jù)，通常以指買(mǎi)方設(shè)計(jì)院或者工程公司提供的“技術(shù)規(guī)格書(shū)”以及買(mǎi)賣(mài)雙方簽訂的“技術(shù)協(xié)議”為基礎(chǔ)。這兩個(gè)文件中對(duì)泵設(shè)計(jì)提出了詳盡具體的要求，比如設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)壓力、工作壓力、工況點(diǎn)、管口載荷、地震譜及地震載荷、性能允差、振動(dòng)噪聲指標(biāo)、軸承壽命、密封形式及壽命、潤(rùn)滑方式、軸的臨界轉(zhuǎn)速要求等。根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量大綱要求和質(zhì)保分級(jí)，在質(zhì)保等級(jí)為Q1和Q2時(shí)必須單獨(dú)編制設(shè)計(jì)輸入文件以作為設(shè)計(jì)可控文件和核安全局審查文件。

2.設(shè)計(jì)分析和策劃

有了設(shè)計(jì)輸入文件即有了設(shè)計(jì)要求后，泵設(shè)計(jì)部門(mén)或個(gè)人就要有針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和策劃，即分析如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)分析后可形成一個(gè)設(shè)計(jì)策劃文件來(lái)系統(tǒng)描述將要進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作。這個(gè)文件將設(shè)計(jì)工作量化、直觀化、可控，泵廠的其他部門(mén)比如質(zhì)量部門(mén)、項(xiàng)目管理部門(mén)等可根據(jù)此文件進(jìn)行質(zhì)量和進(jìn)度的控制。

3.設(shè)計(jì)分析評(píng)審

本評(píng)審是針對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)審，通常由企業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家來(lái)評(píng)審，評(píng)審后形成評(píng)審文件。

4.設(shè)計(jì)過(guò)程

經(jīng)過(guò)上面的過(guò)程就要進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)階段了。

4.1 水力設(shè)計(jì)

泵的水力設(shè)計(jì)是泵水力部件模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。現(xiàn)有的有資質(zhì)的核電泵制造廠都有自己的多種多樣的各行業(yè)泵產(chǎn)品和水力模型，核電泵的水力性能參數(shù)通常都可以直接找到合適的且久經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)的水力模型，或者稍加改動(dòng)即可滿足要求，所以通常不需要重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)水力。事實(shí)上核電站的制造周期和安全性要求也通常不會(huì)給泵廠重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)水力和驗(yàn)證的時(shí)間。在各行業(yè)使用業(yè)績(jī)良好的泵水力模型均是良好的選擇對(duì)象，如果有核電站、電站、電廠的類似工況業(yè)績(jī)的水力模型則更優(yōu)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有泵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)足夠豐富，基本可以滿足核電站對(duì)泵結(jié)構(gòu)形式的要求，只是結(jié)構(gòu)尺寸可能需要重新設(shè)計(jì)來(lái)滿足要求，比如空間尺寸要求、抗地震要求等。

4.3 材料設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)“二代加”核電站建造均執(zhí)行RCC-M規(guī)范，對(duì)泵產(chǎn)品主要零部件的材料也要執(zhí)行RCC-M規(guī)范。通常買(mǎi)方設(shè)計(jì)院或工程公司都對(duì)材料有明確的規(guī)定，國(guó)內(nèi)采購(gòu)時(shí)有都編有詳盡的材料采購(gòu)技術(shù)條件文件。文件中將國(guó)內(nèi)外材料有詳盡的化學(xué)成分對(duì)比、機(jī)械性能參數(shù)對(duì)比、檢驗(yàn)及方法對(duì)比等，泵廠要按此文件進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。由于RCC-M規(guī)范對(duì)材料的各方面參數(shù)要求比較高，正常國(guó)產(chǎn)的材料大多不能滿足RCC-M的要求，所以泵材質(zhì)多為非標(biāo)的特殊材質(zhì)，要特殊控制一些元素的含量乃至熱處理過(guò)程和檢驗(yàn)方法。這一過(guò)程中材料供應(yīng)商要提供詳盡的質(zhì)保大綱、質(zhì)量計(jì)劃以及材料的物理化學(xué)性能參數(shù)等。

4.4 零部件設(shè)計(jì)

零部件設(shè)計(jì)是結(jié)合水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算及計(jì)算書(shū)的形成、圖紙及文件形成等過(guò)程進(jìn)行的，簡(jiǎn)要介紹如下：

4.4.1 承壓件的設(shè)計(jì)

泵的承壓部件屬于過(guò)流件，是泵部件的中的關(guān)鍵部件，更是RCC-M要考核的承壓邊界零部件，包括泵殼、泵蓋、機(jī)封壓蓋、泵體法蘭及緊固件（螺栓/螺柱、螺母等）、主螺栓/螺柱、螺母（用于緊固泵殼與泵蓋）等。這些部分的計(jì)算應(yīng)該按照RCC-M的相關(guān)章節(jié)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法和公式等都很清楚，注意材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度參數(shù)的選取和載荷組合與應(yīng)力準(zhǔn)則的對(duì)應(yīng)。為提高設(shè)備的抗震性能這些零件應(yīng)考慮進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。泵殼泵蓋在遇到腐蝕性介質(zhì)還要考慮腐蝕余量。

4.4.2 轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子部件主要是指葉輪、軸、軸承、鍵等零件。這些零件的計(jì)算RCC-M沒(méi)有硬性規(guī)定但又是設(shè)計(jì)中不能缺少的，可以按機(jī)械學(xué)、水力學(xué)、材料學(xué)等計(jì)算其蓋板強(qiáng)度和葉片厚度；鍵也需要強(qiáng)度計(jì)算；軸承需要計(jì)算強(qiáng)度和壽命；軸需要進(jìn)行強(qiáng)度、撓度、轉(zhuǎn)角、疲勞、臨界轉(zhuǎn)速等計(jì)算。這里需要提的是即使軸的撓度滿足了自身的要求還要考核該撓度是否能滿足靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的間隙要求（葉輪耐磨環(huán)和殼體耐磨環(huán)之間的間隙要求）。

4.4.3 其它零件的設(shè)計(jì)和文件

其它一些結(jié)構(gòu)性零部件可以按照企業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些零件也應(yīng)考慮進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。這個(gè)時(shí)候要編制和設(shè)計(jì)相關(guān)的其它文件了，各個(gè)企業(yè)的要求不盡相同，但設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)是必要的且要經(jīng)過(guò)買(mǎi)方設(shè)計(jì)院的審批。

5.設(shè)計(jì)評(píng)審

這個(gè)時(shí)候的評(píng)審是針對(duì)以上設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)審，一般由企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造專家、買(mǎi)方設(shè)計(jì)院或者業(yè)主專家進(jìn)行共同評(píng)審，主要評(píng)審設(shè)計(jì)過(guò)程是否正確、圖紙文件等是否正確全面、制造工藝上是否能實(shí)現(xiàn)等等。最后評(píng)審專家們要給出明確評(píng)價(jià)結(jié)論并形成文件。

6.抗震計(jì)算和分析

經(jīng)過(guò)上面的設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該說(shuō)一種核電站用泵的設(shè)計(jì)圖紙已經(jīng)完備了，但核電站用泵大多有抗地震要求，要求在地震過(guò)程中能保證設(shè)備的整體性以及動(dòng)靜件之間的相對(duì)穩(wěn)定性。這時(shí)候就必須進(jìn)行抗震計(jì)算分析并形成報(bào)告呈送買(mǎi)方設(shè)計(jì)院審批。買(mǎi)方的設(shè)計(jì)審查、質(zhì)保審查以及國(guó)家核安全局審查都很關(guān)注該報(bào)告。雖然在上述設(shè)計(jì)中提到為提高抗震性能對(duì)設(shè)備進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，但應(yīng)該怎樣補(bǔ)強(qiáng)、在何部位補(bǔ)強(qiáng)和補(bǔ)強(qiáng)程度卻多是依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?？拐鹩?jì)算和分析是應(yīng)用有限元分析方法及理論，借助計(jì)算機(jī)軟件模擬受力工況和地震工況建立計(jì)算模型進(jìn)行分析、計(jì)算，得出泵組的幾階自震頻率、泵殼泵蓋等零件應(yīng)力分布情況、主螺栓及錨固螺栓的受力情況、軸系的強(qiáng)度、軸的撓度和臨界轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜件間隙變化情況等等多方面地?cái)?shù)據(jù)結(jié)果。這里得到的具體數(shù)據(jù)結(jié)果可能和前面的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)中的結(jié)果不一致乃至相差很大，這沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)檫@屬于計(jì)算方法上的差別，但結(jié)論應(yīng)該一致。如果抗震分析結(jié)論為不合格則需參照此結(jié)果進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，然后再分析，直至結(jié)論一致。從這個(gè)方面看抗震計(jì)算和分析為人腦設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一種驗(yàn)證方法。

7.設(shè)計(jì)驗(yàn)證

對(duì)于設(shè)計(jì)最強(qiáng)有力驗(yàn)證莫過(guò)于制造樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)（上試驗(yàn)臺(tái)模擬地震），得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論都比較直觀，有說(shuō)服力，但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的泵不能用來(lái)供貨服役，造成周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)新開(kāi)發(fā)研制的泵比較適用；而對(duì)于成熟的產(chǎn)品或者稍加改型的產(chǎn)品則更多進(jìn)行理論方面的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，但性能試驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)還是需要的，買(mǎi)方會(huì)通常將這方面的要求列入產(chǎn)品的試驗(yàn)或者檢驗(yàn)方面。

8.結(jié)束語(yǔ)

核電泵的制造周期長(zhǎng)，過(guò)程繁瑣，其間有多方參與的檢查和監(jiān)查，對(duì)過(guò)程及文檔都有特殊的要求，因此規(guī)范核電泵的設(shè)計(jì)過(guò)程十分必要，過(guò)程文件的編制和保存也同樣重要，既可以養(yǎng)成良好設(shè)計(jì)習(xí)慣，也可以避免很多設(shè)計(jì)失誤。

參考文獻(xiàn)

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