RCC-M標(biāo)準(zhǔn)在核級(jí)泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

屈婷婷 薄海

摘 ?要：RCC-M標(biāo)準(zhǔn)是目前國(guó)際上關(guān)于核電廠設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、在役檢查等方面具有代表性的規(guī)范之一，在核電領(lǐng)域具有極其重要的地位。文章通過對(duì)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行研究，總結(jié)出如何使用該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核電用泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量及運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：RCC-M標(biāo)準(zhǔn);核級(jí)泵;設(shè)計(jì);分級(jí)

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）18-0191-02

Abstract： RCC-M standard is one of the representative standards in the design， manufacture， inspection and in-service inspection of nuclear power plant equipment， and plays an extremely important role in the field of nuclear power. Through the study of the content of RCC-M standard， this paper summarizes how to use the standard to design the pump for nuclear power， so as to ensure the product quality and the reliability of operation.

Keywords： RCC-M standard; nuclear grade pump; design; classification

1 概述

核電標(biāo)準(zhǔn)是用來指導(dǎo)和控制核電設(shè)備設(shè)計(jì)制造的有效手段，是核電發(fā)展過程中通過試驗(yàn)和工程實(shí)踐積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。目前，我國(guó)的核電項(xiàng)目主要執(zhí)行ASME和RCC-M兩種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，其中RCC-M標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用在CPR、ACP、ACPR、EPR等壓水堆核電站項(xiàng)目核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造上。

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)是法國(guó)核電標(biāo)準(zhǔn)RCC系列的一部分，是由法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)、制造及在役檢查規(guī)則協(xié)會(huì)為實(shí)現(xiàn)核電站機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的標(biāo)準(zhǔn)化和本地化編制的，共分為5卷、13篇，涵蓋核級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)等內(nèi)容。核級(jí)泵作為核電站關(guān)鍵系統(tǒng)的介質(zhì)輸送設(shè)備，其可靠性關(guān)系到整個(gè)核電站的安全，因此，按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)核級(jí)泵進(jìn)行規(guī)范化的設(shè)計(jì)能夠有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量、避免發(fā)生事故。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

在核級(jí)泵設(shè)計(jì)前首先要根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)泵的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行確定，包括設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力。泵的設(shè)計(jì)溫度不應(yīng)低于正常運(yùn)行工況下可能存在的最高溫度，需要綜合考慮環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度以及摩擦、節(jié)流等引起的介質(zhì)溫升。泵的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)低于正常運(yùn)行工況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差，通常取泵的最大入口壓和關(guān)閉點(diǎn)揚(yáng)程之和。

3 泵的分級(jí)

根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)準(zhǔn)則確定泵的設(shè)計(jì)與制造等級(jí)，以便在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、分析計(jì)算時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同級(jí)別的要求選用合適的章節(jié)來指導(dǎo)泵的設(shè)計(jì)工作。RCC-M A篇將泵的設(shè)計(jì)和制造分為三個(gè)等級(jí)，即RCCM-1級(jí)、RCCM-2級(jí)、RCCM-3級(jí)，根據(jù)安全功能和運(yùn)行條件對(duì)泵的級(jí)別進(jìn)行劃分，詳見圖1。

在確定設(shè)備安全等級(jí)RCC-P的基礎(chǔ)上，對(duì)泵進(jìn)行RCC-M分級(jí)，通常RCC-P1、2、3級(jí)與RCC-M1、2、3級(jí)對(duì)應(yīng)。根據(jù)泵運(yùn)行時(shí)所承受的壓力、溫度、循環(huán)載荷，可把RCC-P3級(jí)的設(shè)備定為RCC-M2級(jí)、非安全NC級(jí)的設(shè)備定為RCC-M2或RCC-M3級(jí)。

4 泵的設(shè)計(jì)

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)B、C、D篇分別對(duì)應(yīng)RCC-M 1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，對(duì)泵來講適用范圍主要針對(duì)屬于承壓邊界的零件，比如泵殼、泵蓋、主螺柱/螺母、筒體、進(jìn)出口法蘭等，不涉及泵軸與葉輪、非結(jié)構(gòu)性內(nèi)部件以及密封組件。

RCC-M標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泵的水力設(shè)計(jì)不做要求和限制，一般只需要滿足泵技術(shù)規(guī)格書中要求的性能參數(shù)即可，制造商可以根據(jù)測(cè)繪、對(duì)現(xiàn)有水力模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)或設(shè)計(jì)開發(fā)全新的水力模型等方式來獲得優(yōu)秀的、適合核電系統(tǒng)需要的水力構(gòu)件，但由于核電行業(yè)的特殊性，通常水力模型需要制作試驗(yàn)裝置或樣機(jī)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后才可以運(yùn)用在核級(jí)泵產(chǎn)品上。

同樣，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也未做過多要求，但是在結(jié)構(gòu)尺寸方面，需要根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算分析，尤其對(duì)于承壓邊界，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了零件的最小壁厚、開口補(bǔ)強(qiáng)、應(yīng)力分析準(zhǔn)則等內(nèi)容，零件的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過校核必須滿足RCC-M的要求才能夠被認(rèn)為是足夠合理的和安全可靠的。

需要注意的是：在設(shè)計(jì)過程中，雖然一些結(jié)構(gòu)性零件可以根據(jù)流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、材料力學(xué)以及供應(yīng)商自己積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但并不能取代RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中所要求的應(yīng)力分析。

5 泵的材料

對(duì)1、2、3級(jí)泵的材料選擇，在RCC-M標(biāo)準(zhǔn)B2200、C2200、D2200中有明確選材范圍，RCC-M M篇?jiǎng)t對(duì)應(yīng)各種部件的采購(gòu)所遵循的具體技術(shù)規(guī)范。除了必須選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料外，2、3級(jí)泵在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)明確泵內(nèi)部構(gòu)件的類別，該類別關(guān)系到是否需要制作樣件以及在后續(xù)制造階段進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)類別選擇適用的檢驗(yàn)范圍及驗(yàn)收準(zhǔn)則。以核2級(jí)泵為例，承壓件和非承壓件材料的選取如下。

5.1 RCC-M 2級(jí)泵承壓件材料清單

根據(jù)零部件不同，使用不同的RCC-M規(guī)范：（1）泵體構(gòu)件（泵殼、泵底、冷卻水出口或車封套、泵蓋、殼體）：M1112 1、2、3級(jí)設(shè)備用承壓碳鋼鑄件;M1122 1、2、3級(jí)設(shè)備用承壓碳鋼鑄件;M3204 2、3級(jí)設(shè)備用馬氏體不銹鋼鍛件;M3208 1、2、3級(jí)承壓馬氏體不銹鋼鑄件;M3301用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鍛件和錘鍛件;M3304用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鋼管（熱交換器除外）;M3307 用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鋼板;M3402 ?奧氏體-鐵素體不銹鋼制造的1、2、3級(jí)設(shè)備中的承壓鑄件。（2）法蘭、配對(duì)法蘭和接管：M1122 1、2、3級(jí)設(shè)備用承壓碳鋼鑄件;M3301用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鍛件和錘鍛件;M3306用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鍛造或軋制棒材和半成品件;M3402奧氏體-鐵素體不銹鋼制造的1、2、3級(jí)設(shè)備中的承壓鑄件。（3）緊固件：M5110用于制造1、2、3級(jí)設(shè)備中螺栓和驅(qū)動(dòng)桿的軋制或鍛造棒材;M5120用于制造1、2、3級(jí)設(shè)備中螺母的軋制或鍛造棒材。（4）緊固件（成品）：M5140壓水堆部件中的1、2、3級(jí)螺栓、螺釘、螺桿及螺母。（5）管道：M3304用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鋼管（熱交換器除外）;M3320用于1、2、3級(jí)設(shè)備的不用填充金屬焊接和其后進(jìn)行拉拔的奧氏體不銹鋼卷焊管（熱交換器管除外）。（6）定子襯套：M3306用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鍛造或軋制棒材和半成品件;M3307用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鋼板。（7）缸體：待出版。

5.2 RCC-M 2級(jí)泵非承壓件材料清單

根據(jù)零部件不同，使用不同的RCC-M規(guī)范：（1）葉輪：M3201用于壓水堆泵A、B、C類非承壓內(nèi)件的鉻-鎳-鉬馬氏體不銹鋼鑄件;M3405用不含鉬的鉻鎳奧氏體-鐵素體不銹鋼鑄造的A、B、C類非承壓內(nèi)件-用于壓水堆泵。（2）軸：M3202用于2、3級(jí)輔助泵傳動(dòng)軸的馬氏體不銹鋼鍛件或軋制件。（3）帶回歸導(dǎo)流葉片的擴(kuò)散段：M3201 用于壓水堆泵A、B、C類非承壓內(nèi)件的鉻-鎳-鉬馬氏體不銹鋼鑄件;M3204 2、3級(jí)設(shè)備用馬氏體不銹鋼鍛件;M3301 用于1、2、3級(jí)設(shè)備的奧氏體不銹鋼鍛件和錘鍛件;M3405 用不含鉬的鉻鎳奧氏體-鐵素體不銹鋼鑄造的A、B、C類非承壓內(nèi)件-用于壓水堆泵。

5.3 泵內(nèi)構(gòu)件分類

泵內(nèi)構(gòu)件分為A、B、C 3類，其中A類和B類又細(xì)分為A1、A2、B1、B2類。分類的依據(jù)是葉輪的圓周速度及轉(zhuǎn)子的細(xì)長(zhǎng)比，分類準(zhǔn)則見表1。

其中，U2-葉輪圓周速度，m/s;e-轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)比，為葉輪出口寬度與葉輪外徑之比。

6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

核級(jí)泵的設(shè)計(jì)驗(yàn)證一般采用分析法和試驗(yàn)法，分析法除了第4節(jié)提到的壁厚、開口補(bǔ)強(qiáng)、應(yīng)力分析等校核外，還應(yīng)對(duì)泵組進(jìn)行抗震分析計(jì)算。

抗震分析一般通過利用力學(xué)理論及有限元方法建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性（自振頻率和振型）和動(dòng)態(tài)響應(yīng)（如各典型點(diǎn)的位移、速度、加速度、應(yīng)力、變形等），考核設(shè)備的強(qiáng)度、剛度（變形）和位移，驗(yàn)證設(shè)備在指定的地震載荷作用下能否正常工作，保持其結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行可靠性。泵組抗震分析至少應(yīng)包括泵、支架和底座、螺栓、驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電機(jī)）、驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)備（聯(lián)軸器）、軸的潤(rùn)滑（軸承）和密封系統(tǒng)（機(jī)械密封及管路）等。

試驗(yàn)法是指通過對(duì)樣機(jī)或產(chǎn)品進(jìn)行性能試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)以及其它有特殊要求的熱沖擊試驗(yàn)、雜質(zhì)試驗(yàn)、降壓?jiǎn)?dòng)試驗(yàn)等，來驗(yàn)證泵在正常及事故工況下的穩(wěn)定性，是對(duì)泵關(guān)鍵部件及整個(gè)配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性的驗(yàn)證。

7 結(jié)束語(yǔ)

核電用泵不僅要滿足正常工況下整個(gè)核電站主輔系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還要在事故工況下遏制和緩解事故的發(fā)展，其可靠性直接或間接的影響到核電站的安全。核電用泵的特殊技術(shù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于石油、化工、火電等工業(yè)用泵，如耐高溫高壓、耐輻照、耐腐蝕、抗地震、沖擊等載荷作用等，因此以核電標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范核級(jí)泵的設(shè)計(jì)過程極其必要。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)匯集了法國(guó)在壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造實(shí)踐中所取得的成果，內(nèi)容詳細(xì)具體、專業(yè)性和指導(dǎo)性強(qiáng)，以它來做為核級(jí)泵設(shè)計(jì)的依據(jù)，能有效避免設(shè)計(jì)失誤、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]AFCEN.RCC-M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（2000版+2002補(bǔ)遺）[S].2000.

[2]AFCEN.RCC-M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（2007版）[S].2007.