AP1000主泵安裝關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用

胡國峰

(國核工程有限公司，上海 200233)

主泵作為核電站一回路系統(tǒng)的重要精密設(shè)備，擔(dān)負(fù)著為一回路堆芯提供足夠的冷卻劑流量并保證堆芯的裂變熱量能夠?qū)С龅秸羝l(fā)生器的作用。在核電站建設(shè)過程中，主泵的正確安裝對(duì)核電項(xiàng)目的建設(shè)、投產(chǎn)以及電廠的正常運(yùn)行都具有重要意義。對(duì)于AP1000主泵的設(shè)計(jì)，有學(xué)者進(jìn)行過研究[1]，對(duì)于AP1000主泵的安裝，也有學(xué)者進(jìn)行過介紹[2-4]，但均未涉及關(guān)鍵技術(shù)。

AP1000作為美國西屋電氣公司設(shè)計(jì)的第三代先進(jìn)非能動(dòng)型壓水堆核電堆型，其主泵相對(duì)CPR1000型主泵有較大差別。AP1000主泵是由美國EMD公司制造的無密封、單級(jí)、7葉片高慣性、離心屏蔽泵，每個(gè)環(huán)路的蒸汽發(fā)生器下封頭處焊接了2個(gè)主泵泵殼，如圖1所示[5]。這種泵在設(shè)計(jì)上具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如屏蔽泵的電機(jī)在下、泵在上，有利于減小屏蔽泵的尺寸，能夠滿足主泵對(duì)大流量的要求，同時(shí)具有全壽期內(nèi)免拆卸和維修的優(yōu)點(diǎn)。

AP1000主泵的安裝過程從開箱開始，到接線盒安裝結(jié)束，步驟繁多。在整個(gè)安裝過程中，激光測(cè)量、主泵頂升和主泵水平運(yùn)輸至泵殼為關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 AP1000反應(yīng)堆冷卻劑回路示意圖

筆者結(jié)合工程建造實(shí)踐，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)安裝方案進(jìn)行了較為深入細(xì)致的研究，并將其結(jié)果用于現(xiàn)場(chǎng)安裝，取得了良好的效果。

1 測(cè)量技術(shù)

在主泵的安裝過程中，各個(gè)安裝部位間隙較小，大部分間隙在0.5～1.0 mm，且由于安裝空間狹小,不僅測(cè)量方法受限，測(cè)量難度也很大。在吸入適配器與泵殼的安裝過程中，采用了激光測(cè)量及三維建模的方法，有效保證了安裝精度。激光測(cè)量儀器為FRO公司的ION激光跟蹤儀，軟件為New River Kinematics。

圖2為泵殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，吸入適配器與泵殼之間的安裝間隙為0.76 mm，在吸入適配器頂升進(jìn)入泵殼后，采用常規(guī)測(cè)量方法無法觀測(cè)兩者之間的相對(duì)關(guān)系，更無法進(jìn)行間隙測(cè)量。為此，在安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吸入適配器的關(guān)鍵尺寸選點(diǎn)(如圖3所示)，進(jìn)行測(cè)量并建立三維模型。其中選取點(diǎn)數(shù)為頂法蘭端面圓20個(gè)點(diǎn)、頂法蘭端圓柱30個(gè)點(diǎn)、本體內(nèi)圓柱40個(gè)點(diǎn)、面向葉輪圓柱30個(gè)點(diǎn)、面向擴(kuò)散器圓柱40個(gè)點(diǎn)、底面外圓15個(gè)點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)量過程中要保證誤差不超過0.15 mm。

圖2 泵殼內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖

在將吸入適配器放上頂升裝置后，首先要確定需要頂升的高度。在頂升過程中，要保證頂升裝置、吸入適配器與泵殼的中心保持一致，并在頂升裝置上選擇4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，激光測(cè)量儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其中任意2個(gè)點(diǎn)的標(biāo)高偏差，使其不超過0.2 mm。在到達(dá)頂升高度后，對(duì)底面外圓的15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，并將數(shù)據(jù)代入在開始階段建立的三維模型，以確定吸入適配器與泵殼的安裝是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 吸入適配器測(cè)量部位示意圖

2 主泵頂升

如圖4所示，AP1000主泵作為倒立式主泵，主泵在下，泵殼在上，安裝時(shí)需要將下部主泵逐漸頂升就位。在頂升階段后期，主泵進(jìn)入泵殼后不僅難以觀察空間關(guān)系，而且還要滿足同軸度偏差±0.32 mm、角度偏差±1.52°、平行度偏差±1.52 mm的設(shè)計(jì)要求，頂升難度較大。

圖4 AP1000主泵示意圖

2.1 主泵頂升油缸布置

AP1000主泵頂升系統(tǒng)選用ENERPAC公司進(jìn)口產(chǎn)品，型號(hào)為SLCOO8502E3440SW，系統(tǒng)主要由8個(gè)承載能力為50 t、行程為50 mm的雙作用油缸和電動(dòng)液壓泵站組成。根據(jù)小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在布置油缸的頂升位置時(shí)，需在小車4個(gè)支撐立柱的兩側(cè)各布置1個(gè)油缸，且油缸還應(yīng)以立柱中心為圓心，同時(shí)油缸需留出空間以便立柱下方行走滾輪回轉(zhuǎn)。總的原則是，油缸在不影響行走滾輪回轉(zhuǎn)的前提下，越靠近支撐立柱越好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定油缸的布置如圖5所示，油缸布置在每個(gè)行走輪周圍584～914 mm的圓環(huán)范圍內(nèi)，且每個(gè)圓環(huán)內(nèi)對(duì)稱布置2個(gè)。

圖5 8點(diǎn)同步頂升系統(tǒng)油缸布置圖

2.2 主泵頂升油缸速度

雙作用油缸參數(shù)見表1，電動(dòng)液壓泵站參數(shù)見表2。電動(dòng)液壓泵站有低壓大流量和高壓小流量2種工作模式，系統(tǒng)工作壓力低于5 MPa時(shí)，泵大流量輸出，可以提高工作效率；系統(tǒng)工作壓力高于5 MPa時(shí)，泵小流量輸出，可以提高同步頂升的穩(wěn)定性和安全性。

表1 主泵頂升雙作用油缸參數(shù)

根據(jù)表1和表2進(jìn)行油缸頂升、下降速度和時(shí)間計(jì)算，確定空載工況與負(fù)載工況下的極限速度與時(shí)間。

表2 主泵頂升電動(dòng)液壓泵站參數(shù)

(1) 空載工況時(shí)，電動(dòng)泵大流量、低壓輸出，輸出壓力低于5 MPa，頂升時(shí)無桿腔部分工作，下降時(shí)有桿腔部分工作。

最大頂升速度V1=Q1/(8×A1)=85.39 mm/min；最大下降速度V2=Q1/(8×A2)=170.78 mm/min；最短頂升所需時(shí)間t1=50 mm/V1=0.59 min；最短下降所需時(shí)間t2=50 mm/V2=0.29 min。

(2) 負(fù)載工況時(shí)，電動(dòng)泵小流量、高壓輸出，輸出壓力在5～70 MPa，頂升時(shí)無桿腔部分工作，下降時(shí)有桿腔部分工作。

最大頂升速度V3=Q2/(8×A1)=8.93 mm/min；最大下降速度V4=Q2/(8×A2)=17.86 mm/min；最短頂升所需時(shí)間t3=50 mm/V3=5.60 min；最短下降所需時(shí)間t4=50 mm/V4=2.80 min。

2.3 主泵頂升速度確定

主泵頂升時(shí)油缸為負(fù)載工況，該工況下最大頂升速度為8.93 mm/min。在頂升后期，主泵進(jìn)入泵殼后難以觀察空間關(guān)系，為了保證主泵頂升萬無一失，嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次模擬以確定最佳頂升速度。

模擬件的關(guān)鍵尺寸、重心、質(zhì)量與主泵基本一致，采用與實(shí)際施工中一致的8點(diǎn)同步頂升系統(tǒng)，得出的模擬數(shù)據(jù)如表3所示。經(jīng)綜合分析，主泵在泵殼內(nèi)正式頂升時(shí)，速度宜控制在3.0～4.0 mm/min。

表3 主泵頂升模擬數(shù)據(jù)

在主泵1A、1B、2A、2B實(shí)際安裝時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采用保守參數(shù)，進(jìn)一步縮小頂升速度范圍區(qū)間，采用的頂升速度為3.2～3.7 mm/min，同軸度、角度和平行度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

表4 主泵頂升實(shí)際數(shù)據(jù)

3 主泵水平運(yùn)輸至泵殼

主泵安裝于蒸汽發(fā)生器腔室內(nèi)，從吊裝孔引入安裝區(qū)域地面后，坐落于如圖6所示的小車上，小車固定基座下方安裝有6組HILLMAN移動(dòng)滾輪，型號(hào)為30-SLS，承載能力為30 t，利用外部驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)小車的水平移動(dòng)，每組滾輪投影方向上與30-MSJ-U型蝸桿升降機(jī)重合。

圖6 主泵安裝小車

圖7為西側(cè)蒸汽發(fā)生器腔室內(nèi)主泵的安裝空間，安裝區(qū)域地面有效面積約為31 m2，主泵安裝時(shí)腔室內(nèi)的大部分物項(xiàng)已安裝完成并移交調(diào)試，周圍還需預(yù)留工具箱、腳手架和旁站人員位置，空間狹小，十分容易發(fā)生各種碰撞。

圖7 西側(cè)主泵安裝區(qū)域布置

為避免2臺(tái)主泵之間及周圍物項(xiàng)對(duì)主泵的影響，現(xiàn)場(chǎng)采用如圖8所示的三維建模，給出蒸汽發(fā)生器腔室內(nèi)可在主泵安裝前預(yù)先安裝的物項(xiàng)清單，最大限度地保證工藝系統(tǒng)調(diào)試的完整性，并規(guī)劃出一條小車最優(yōu)行進(jìn)路線。在實(shí)際安裝過程中，小車根據(jù)三維建模路線行進(jìn)，成功避免了物項(xiàng)沖突，距墻體最近距離僅為18 mm，與模擬值基本一致。

圖8 主泵安裝小車行進(jìn)三維建模

4 結(jié) 論

(1)在關(guān)鍵部件(如吸入適配器與泵殼)的安裝過程中，采用激光測(cè)量與三維建模的方法可在間隙僅為0.76 mm的情況下完成頂升裝配。

(2)在采用物理模擬的基礎(chǔ)上，得出主泵頂升速度區(qū)間為3.0～4.0 mm/min，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)采用更嚴(yán)格的頂升速度區(qū)間3.2～3.7 mm/min，使得主泵的安裝完全滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在采用三維建模的基礎(chǔ)上，對(duì)主泵在蒸汽發(fā)生器腔室內(nèi)的水平運(yùn)輸進(jìn)行路線規(guī)劃。根據(jù)該規(guī)劃，主泵實(shí)際安裝時(shí)距離墻體僅為18 mm，與模擬值基本一致，成功地避免了物項(xiàng)碰撞。

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