三代核電站循環(huán)水泵輪轂靜平衡方法分析

孫鵬

摘 要

三代核電AP1000循環(huán)水泵采用動(dòng)葉可調(diào)立式金屬混流泵，在國(guó)內(nèi)核電廠尚屬首次應(yīng)用，沒(méi)有成熟檢修經(jīng)驗(yàn)。筆者對(duì)循環(huán)水泵輪轂靜平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行比較、分析，對(duì)測(cè)桿法作了重點(diǎn)介紹，力求為后續(xù)類似形式循環(huán)水泵自主檢修積累更多經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞

循環(huán)水泵;輪轂;靜平衡;測(cè)桿法

中圖分類號(hào)： H02K17/16 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 66

0 引言

循環(huán)水泵（簡(jiǎn)稱：循泵）是循環(huán)水系統(tǒng)的心臟，作為海水輸送的動(dòng)力源，是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，制造和檢修過(guò)程必須得到足夠重視。三代核電采用的立式金屬混流循泵在日本核電廠有三十年的良好使用業(yè)績(jī)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但在國(guó)內(nèi)核電廠尚屬首次應(yīng)用，缺少制造、檢修技術(shù)積累。

本文以某核電循泵的輪轂結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，選用日本三菱供貨的動(dòng)葉可調(diào)式混流循泵，在制造、檢修與傳統(tǒng)的循泵存在較大的差異[1]。其輪轂內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造或檢修后不平衡量過(guò)大可能引發(fā)循泵在工作狀態(tài)劇烈振動(dòng)。根據(jù)日本三菱循泵運(yùn)行維護(hù)要求，當(dāng)進(jìn)行輪轂葉片更換時(shí)，需要對(duì)整個(gè)輪轂組件進(jìn)行靜平衡，如返廠進(jìn)行維修后靜平衡試驗(yàn)，將面臨廠外運(yùn)輸周期長(zhǎng)、運(yùn)輸過(guò)程不可預(yù)知損壞風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用高等問(wèn)題，因此，有必要分析研究可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的輪轂靜平衡技術(shù)。

1 循泵結(jié)構(gòu)概況

AP1000循泵為立式、單級(jí)、浸沒(méi)式混流泵，泵體由喇叭口，碗狀出口管、柱狀接管、出口彎管、軸、葉片及導(dǎo)向軸承等主要部件組成[2]。具有流量大（139800m3/h），電機(jī)功率大（7700kW），轉(zhuǎn)速低（163.3rpm），運(yùn)行維護(hù)成本較高等特點(diǎn)。由于循泵的轉(zhuǎn)速較低，精度要求不高，因此輪轂組件不進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，僅進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

2 輪轂組件結(jié)構(gòu)

輪轂組件主要由6個(gè)葉片、輪轂及導(dǎo)水錐組成，輪轂內(nèi)有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。輪轂組件為開(kāi)式葉輪，單級(jí)單吸。輪轂連帶葉片及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量為16噸，最大外徑將近3.4m，軸向長(zhǎng)度為2.1m，許用不平衡量（g）=3.17×重量（g）/轉(zhuǎn)速（r/min）/半徑（cm），該平衡精度為制造廠日本三菱標(biāo)準(zhǔn)。

3 輪轂靜平衡試驗(yàn)方法分析

輪轂靜平衡試驗(yàn)是輪轂制造和檢修中的重要技術(shù)，通過(guò)靜平衡消除不平衡力矩，確保核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。AP1000循泵輪轂由于葉片角度可調(diào)，靜平衡試驗(yàn)時(shí)需保證葉片全角度范圍的靜平衡均滿足要求，技術(shù)要求較高。

3.1 輪轂靜平衡基本步驟如下

（1）對(duì)輪轂進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

（2）對(duì)6個(gè)葉片進(jìn)行稱重。

（3）根據(jù)上述兩個(gè)步驟的結(jié)果，合理布置葉片裝配的位置，以求輪轂和葉片的不平衡都?jí)蛳嗷サ窒徊糠?，達(dá)到較好的整體的靜平衡狀況。

（4）裝配好葉片后，對(duì)輪轂組件整體進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

3.2 輪轂整體靜平衡試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)常用的轉(zhuǎn)子靜平衡方法主要有鋼球鏡面式、靜壓油支撐式、三點(diǎn)承重式和測(cè)桿法靜平衡。

3.2.1 鋼球鏡面式

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可分為臥式靜平衡和立式靜平衡。臥式靜平衡試驗(yàn)一般適用于直徑小于1.4m的混流式轉(zhuǎn)輪，本文不做討論。

立式靜平衡，采用鋼球在水平鏡面上或凹球面上滾擺的方法。將被測(cè)對(duì)象置于一鋼球上，觀察被測(cè)對(duì)象重心相對(duì)于幾何中心線的偏移方向和偏移量，而后給予消除和糾正。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟，在被測(cè)對(duì)象質(zhì)量較小時(shí)精度較高;缺點(diǎn)是要求輪轂重心必須低于鋼球中心，否則就會(huì)存在傾翻的危險(xiǎn)，且占用空間較大，測(cè)量周期長(zhǎng)，關(guān)鍵部件易受損害。當(dāng)被測(cè)對(duì)象質(zhì)量較重時(shí)，接觸點(diǎn)應(yīng)力和靜摩擦力較高，帶來(lái)了系統(tǒng)誤差，使測(cè)量精度降低。

3.2.2 靜壓油支撐式

靜油壓平衡法是改進(jìn)型的鋼球平衡法，原理步驟均基本相同，區(qū)別在于在鋼球和平衡鏡面之間用高壓油膜作為隔離層，并能自由擺動(dòng)。相比鋼球鏡面法達(dá)到了降低摩擦系數(shù)和提高靈敏度的效果，但缺點(diǎn)是裝備投資費(fèi)用大且研發(fā)制造耗時(shí)長(zhǎng)，仍未解決傾覆危險(xiǎn)，裝置龐大，且存在技術(shù)專利限制。一般適用于重量200T以上的大型轉(zhuǎn)子。

3.2.3 三點(diǎn)稱重式

此方法首次應(yīng)用于2006年，原理完全不同于鋼球鏡面式，屬于機(jī)電一體化裝置，一般包括被測(cè)對(duì)象、稱重平臺(tái)、稱重傳感器。其原理是將三個(gè)同型號(hào)傳感器置于120°間隔的圓周三點(diǎn)上，被測(cè)對(duì)象中心與圓心同心，通過(guò)傳感器電壓信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)子的不平衡量，根據(jù)里的分解與合成，計(jì)算出成被測(cè)工件的重量，找到在水平面上不平衡量的投影位置與大小，并計(jì)算出加重或者去重的重量和位置。

此方法存在原理誤差，使用的大量程稱重傳感器很大的制約了測(cè)量精度：受傳感器精度、信號(hào)變送器精度、傳感器離散度、傳感器布置精度的影響。還需在工作水平面精確調(diào)平，水平面加工質(zhì)量要求高，對(duì)操作人員的要求較高。其系統(tǒng)復(fù)雜程度較其他方案高、經(jīng)濟(jì)性不如其他方案，目前應(yīng)用較少。

3.3.4 測(cè)桿法

測(cè)桿法也稱應(yīng)力棒式靜平衡法，是國(guó)際先進(jìn)的靜平衡技術(shù)之一，加拿大GE公司2009年最先采用此技術(shù)，已證明測(cè)桿應(yīng)變法的平衡精度高于鋼球平衡精度。

測(cè)桿應(yīng)變法平衡原理是在平衡支柱的頂端放置測(cè)桿（即貼有應(yīng)變片的應(yīng)力棒），測(cè)桿上部放置托板，轉(zhuǎn)輪放在托板上或與托板機(jī)械把合連接，平衡時(shí)，轉(zhuǎn)輪不平衡量將由托板傳遞給測(cè)桿一彎曲力，測(cè)桿變形，貼附的應(yīng)變片也產(chǎn)生變形，如圖1所示。依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)?，用?yīng)變儀測(cè)出測(cè)桿彎曲應(yīng)力的數(shù)值及方位，通過(guò)增減轉(zhuǎn)輪重量來(lái)消除不平衡。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，造價(jià)大幅降低，并在結(jié)構(gòu)上排除了接觸點(diǎn)高應(yīng)力/摩擦力等不利因素。

3.3 輪轂靜平衡方法比較和選用

（1）鋼球鏡面式占用空間較大、關(guān)鍵部件易受損害、存在固有傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

（2）靜壓油支撐式裝置復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、且未解決傾覆風(fēng)險(xiǎn)，存在技術(shù)專利限制。

（3）三點(diǎn)承重式系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、對(duì)操作者要求高，工藝成熟性不高，目前較少應(yīng)用。

（4）測(cè)桿法基本可有效避免上述問(wèn)題，具有平衡技術(shù)先進(jìn)、精度高，操作簡(jiǎn)便，造價(jià)低等特點(diǎn)。

考慮前三種方法的局限性，某電廠選用測(cè)桿法最為輪轂靜平衡實(shí)施方法。

3.4 某核電測(cè)桿式輪轂靜平衡方法特點(diǎn)分析

（1）考慮消除測(cè)桿壓縮應(yīng)力影響并記錄各方位應(yīng)變情況，測(cè)桿上4個(gè)方向應(yīng)變片互成90°布置。

（2）根據(jù)輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將葉輪倒裝放置，使葉輪重心降低，提高自身穩(wěn)定性，同時(shí)液壓千斤頂支撐在大平面，使系統(tǒng)更可靠。

（3）輪轂是關(guān)鍵部件，需要防傾覆措施：由4個(gè)液壓千斤頂和4個(gè)等高支撐塊構(gòu)成，即便出現(xiàn)傾覆也能被等高支撐塊支撐。

（4）設(shè)計(jì)好測(cè)桿是保證平衡成功的關(guān)鍵，測(cè)桿直徑太大會(huì)影響應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量精度，太小無(wú)法支撐輪轂近16T重量。測(cè)桿應(yīng)選用高強(qiáng)度合金鋼并進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)，不斷調(diào)整優(yōu)化。

3.5 提高輪轂測(cè)桿法靜平衡精度的措施

如應(yīng)變片本身出廠誤差高，加上安裝、信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算等過(guò)程產(chǎn)生的誤差，整個(gè)靜平衡試驗(yàn)將積累很大的誤差，因此需從以下方面分析提高測(cè)量精度的方法：

（1）采用較高精度的應(yīng)變片（±0.02%fso），并由專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方驗(yàn)證。

（2）從粗平衡到精平衡需進(jìn)行若干次，應(yīng)變片反復(fù)使用，應(yīng)在配重塊固定前，頂起輪轂，使應(yīng)力棒不負(fù)重，減少殘余應(yīng)力。

（3）采用濾波信號(hào)處理，抑制和濾除高頻干擾信號(hào)，精確測(cè)量應(yīng)變信號(hào)。

（4）為減少溫度對(duì)測(cè)量影響，電路中增加溫敏電阻。

（5）信號(hào)采集/轉(zhuǎn)換裝置也應(yīng)有較高精度;

（6）正式測(cè)量前考慮模擬測(cè)試?yán)碚摲治?，測(cè)桿法綜合精度可以達(dá)到±2.5%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)循泵輪轂靜平衡方法對(duì)比分析可知，測(cè)桿法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)先進(jìn)，測(cè)量精度高，可行性高。測(cè)桿法的合理應(yīng)用，可以有效避免異形件輪轂的傾覆風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)計(jì)可取得較好的測(cè)量精度和經(jīng)濟(jì)性。鑒于測(cè)量裝置、應(yīng)變片的固有誤差，這一循泵輪轂靜平衡方法選用還有待核電廠長(zhǎng)期運(yùn)行的檢驗(yàn)以進(jìn)行反饋優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備，北京：原子能出版社，2010.

[2]廖長(zhǎng)城.AP1000循環(huán)水泵葉片角度調(diào)節(jié)原理及調(diào)試方法淺析，華電技術(shù)，2013，35（11）：58-63.