核電廠中壓安注泵功能性試驗后異常磨損原因分析

(廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538000)

安全注入系統(tǒng)(RIS)由分別位于不同安全廠房的3個獨立、冗余系列組成，每一列都有兩種運行模式，即安注(SI)運行模式和余熱排出(RHR)運行模式。相比于CPR1000，該泵是RIS系統(tǒng)執(zhí)行中壓安注(MHSI)功能的核心組成部分[1]。在設(shè)計工況和設(shè)計擴(kuò)展工況，MHSI泵將安全殼內(nèi)置換料水箱(IRWST)的含硼水注入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)，從而維持一回路水裝量和冷卻堆芯。

MHSI泵為全抽芯結(jié)構(gòu)的8級臥式離心泵，設(shè)計上輸送不超過120 ℃的含硼水，吸入口壓力0.52 MPa，排出口壓力10 MPa。事故后IRWST內(nèi)含硼水可能含有固體碎片(混凝土、油漆、灰塵)，MHSI泵需要持續(xù)輸送固體顆粒濃度500×10-6以下的流體介質(zhì)至少1年[2]。因此對泵的持續(xù)運轉(zhuǎn)能力提出了較高要求，若泵的軸套、葉輪和其他轉(zhuǎn)動部件不可控磨損，可能會引起MHSI泵損壞故障而無法運行，導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯在事故后失去重要的安全保護(hù)措施。

1 中壓安注泵功能性試驗后拆解磨損概況

2018年12月3日，某核電廠1號中壓安注泵在制造過程中進(jìn)行性能、耐久和啟動試驗等功能性試驗，12月5日進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪密封環(huán)、軸套存在不同程度的摩擦痕跡，5號、7號葉輪后密封環(huán)磨損較為嚴(yán)重，有無法測量的摩痕溝槽，具體磨損情況如圖1所示。2號泵于2019年6月4日進(jìn)行性能和耐久試驗，6月7日進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪密封環(huán)和軸套也不同程度的異常摩擦痕跡。從2018年12月和2019年6月的試驗以及期間多次廠家內(nèi)試過程中多次發(fā)現(xiàn)磨損且位置不完全固定。

圖1 磨損情況圖(左：中間軸套 右：葉輪密封環(huán))Fig.1 Wear condition(Left:Intermediate sleeve;Right: Impeller seal ring)

轉(zhuǎn)子與靜止零部件發(fā)生摩擦是一種較為常見的故障模式，這類摩擦故障的主要原因有轉(zhuǎn)子與靜止部件之間的安裝間隙小、軸承間隙不規(guī)范、軸彎曲變形、轉(zhuǎn)子部件撓度大、轉(zhuǎn)子部件不平衡、泵與電機(jī)對中不好等。

針對異常磨損的發(fā)生，采用了先局部著重核查，后整體全面分析排查的思路。首先懷疑為試驗過程的偶發(fā)現(xiàn)象，并更換了其他泵重新進(jìn)行試驗，問題仍然存在。其后質(zhì)疑試驗前泵組裝過程不規(guī)范及螺栓力矩緊固不到位，整改后重新試驗，但也無法解決磨損問題。鑒于磨損問題多次發(fā)生，且無法明確異常發(fā)生的根本原因，最終根據(jù)中壓安注泵設(shè)計生產(chǎn)的主要流程，采取全過程排查，對設(shè)計、制造、裝配、試驗等環(huán)節(jié)進(jìn)行了徹底排查，共識別21個末端因素，排查內(nèi)容如表1所示。

經(jīng)全面分析核查，除裝配中心的工序存在問題，其余設(shè)計、制造、裝配和試驗工序均滿足運行條件、技術(shù)規(guī)范書、上游標(biāo)準(zhǔn)等要求。最終確定裝配中心在精校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子中心的抬軸量測量項目存在問題。雖然全流程分析的方法解決了本次異常磨損問題，但不提倡使用，根據(jù)分級管理的思路，通常采用重點分析的方法基本能完成絕大部分缺陷故障的分析。在本文中，對未發(fā)現(xiàn)問題的工序，其排查過程不展開詳述。

臥式多級泵在總裝過程中需要對轉(zhuǎn)子抬軸量進(jìn)行測算，從而確定轉(zhuǎn)子在靜子中的位置，對于中小型泵通常選取動靜部件之間的總間隙來確定轉(zhuǎn)子抬軸量，但由于大型泵的軸承跨度大且級數(shù)多，軸的彎曲增加，在確定抬軸量時，需要先測量轉(zhuǎn)子的靜撓度，從而計算得出抬軸量，因此靜撓度測量是一個影響抬軸量的關(guān)鍵工序。靜撓度測量方法錯誤是導(dǎo)致MHSI泵異常磨損的根本原因，以下將進(jìn)行靜撓度測量問題的具體分析。

2 靜撓度測量問題分析及改進(jìn)

臥式多級泵總裝時要求轉(zhuǎn)子和靜子盡可能同心，對于大型水泵靜子通常剛性較大，一般不考慮靜子的撓度，而轉(zhuǎn)子軸較長且其上裝載著很多部件，其靜撓度較大，確定抬軸量時必須予以重點考慮。通常情況下，水泵的轉(zhuǎn)子與定子部件之間有一定的距離縫隙，這些縫隙是為了更好地調(diào)控工作效率，為了達(dá)到更高的工作效率，間隙越小越好，但是間隙變小容易導(dǎo)致水泵在運轉(zhuǎn)過程中動靜部件之間發(fā)生意外摩擦，反過來又影響水泵性能?？梢娹D(zhuǎn)子靜撓度直接關(guān)系著水泵運行過程中的可靠性和效率。[3]

中壓安注泵裝配主要涉及精校轉(zhuǎn)子中心、刮軸瓦、轉(zhuǎn)子竄量分配、間隙調(diào)整、總裝后盤車共5個檢查項目。經(jīng)核查裝配過程，除精校轉(zhuǎn)子校中心時抬軸量存在問題，其他方面裝配滿足計算文件要求，泵精校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子中心時，其抬軸量按靜撓度值進(jìn)行換算確定。精校轉(zhuǎn)子中心參數(shù)要求如表2所示。

表2 中壓安注泵精校轉(zhuǎn)子中心裝配參數(shù)要求

在設(shè)備制造或檢修過程中，多級泵轉(zhuǎn)子的常用V型或Y型鐵定位，并選取適合的平板及百分表或千分表來進(jìn)行測量。具體操作步驟通常為兩端固定，選取左右測量點和中間點，移動測量儀表進(jìn)行多點測量。某核電廠中壓安注泵裝配中，靜撓度的測量軸兩端為Y型鐵支撐，基準(zhǔn)平臺由機(jī)床平臺改成以保證平整，采用百分表進(jìn)行測量。

正常情況下應(yīng)該選取轉(zhuǎn)子軸承安裝位置進(jìn)行固定以模擬轉(zhuǎn)子最終的安裝狀態(tài)，然后進(jìn)行靜撓度測量，由于轉(zhuǎn)子軸承安裝位置被Y型支撐占用，因此選擇盡量靠近固定點兩端的位置作為測量起點。但是由于MHSI泵中間位置設(shè)計有中間軸套，靠近轉(zhuǎn)子軸承的位置與中間軸套處(B點)位置的外徑相差太大，超過百分表量程。在實際測量轉(zhuǎn)子靜撓度時操作者為便于調(diào)整測量儀表位置選取了錯誤的基準(zhǔn)點，以2級葉輪和5級葉輪前密封環(huán)外圓為基準(zhǔn)零點(圖中A/C兩點)，由A/C點平移打表至B點，檢查中間軸套處的撓度值，使檢測數(shù)值偏離實際。錯誤的測量方法定名為方法一，具體如圖2所示。

為糾正靜撓度選點錯誤，解決兩側(cè)測點與中間軸套點位置外徑相差太大。重新進(jìn)行靜撓度測量，選取靠近兩端支撐附近選取基準(zhǔn)A′/C′點并增加了工裝套，以保證A′/B′/C′點外圓尺寸盡量一致。這樣既滿足了無需調(diào)整測量表，有便于簡單操作機(jī)床平板使測量儀表橫向移動，同時讀取A′/B′/C′三點位置的數(shù)值。糾正后的測量方法命名為方法二，具體如圖3所示。

靜撓度選點錯誤導(dǎo)致靜撓度測量值有明顯區(qū)別，從而影響了轉(zhuǎn)子與靜止部件的間隙最終導(dǎo)致了異常磨損。兩種方式靜撓度測量對比如下，具體如圖4所示?，F(xiàn)將兩種方法進(jìn)行計算，以對比兩種測量結(jié)果的差別。

圖2 轉(zhuǎn)子部件擾度測量示意圖(方法一)Fig.2 Deflection measurement for the rotor component (Method Ⅰ)

圖3 轉(zhuǎn)子部件擾度測量示意圖(方法二)Fig.3 Deflection measurement for the rotor component(Method Ⅱ)

圖4 兩種靜撓度測量方法對比圖Fig.4 Comparison of two static deflection measurement methods

兩種靜撓度測量按如下方式進(jìn)行計算：

(1)

(2)

式中：I——按照測量方法1檢測所得撓度值;

I′——按照測量方法2檢測所得撓度值;

兩種測量方法的計算結(jié)果如表3所示，從對比表可知，錯誤的選點位置導(dǎo)致B處的靜撓度測量值無法真實反映轉(zhuǎn)子最大撓度。方法1所得出的最大撓度I比測量方法2測出的最大靜撓度值I′小了約50%，按照錯誤撓度值來選擇抬軸量，其動靜部件之間的間隙明顯小于方法2所得值，間隙減小影響了轉(zhuǎn)子和靜止零件之間的配合，從而導(dǎo)致了磨擦問題。

表3 兩種測量方法結(jié)果對比[4]

3 改進(jìn)驗證及后續(xù)關(guān)注

根據(jù)2.1～2.2節(jié)原因分析得出：轉(zhuǎn)子部件靜撓度測量方法有誤，無法真實反映轉(zhuǎn)子最大撓度值。通過靜撓度測量方法修正，即加裝工裝并修改兩側(cè)的測量基準(zhǔn)點，重新測出真實靜撓度，最后結(jié)合設(shè)計要求的轉(zhuǎn)子與靜子間的徑向最小間隙等參數(shù)得出轉(zhuǎn)子部件的抬軸量在0.09～0.12 mm，根據(jù)轉(zhuǎn)子和靜止零件間的轉(zhuǎn)動間隙，對轉(zhuǎn)動部件中心進(jìn)行適量的提升，具體如表4所示。

表4 改進(jìn)說明及前后對比[4]

調(diào)整泵抬軸量后，對某核電廠3號機(jī)組3臺中壓安注泵分別進(jìn)行了20 h耐久試驗，水力及機(jī)械性能滿足泵技術(shù)規(guī)格書要求，試驗后拆解未發(fā)現(xiàn)葉輪密封環(huán)和軸套磨損，異常磨損問題得以解決。

雖然異常磨損問題得以最終解決，但針對問題仍有需要注意和值得優(yōu)化的地方，提出如下3點后續(xù)重點關(guān)注：

1)本次異常磨損問題發(fā)生在設(shè)備制造階段，鑒于后續(xù)還涉及安裝和運行后的檢修，因此需要

固化抬軸量的數(shù)據(jù)至設(shè)備運行維修手冊中，以保證后續(xù)不會出現(xiàn)同樣的問題；

2)測量方法的偏差反映出未按照工序文件執(zhí)行或執(zhí)行文件不完備，轉(zhuǎn)子靜撓度測量工序文件存在升版并固化的空間；

3)由于軸的形狀不一，最接近兩端固定點的選點可能與中間位置存在較大偏差，通過加工測量工裝來保障兩端到中間的讀數(shù)不超過表的量程，而工裝可能又會引進(jìn)新的偏差，并且測量平板的平整度也可能影響最終測量結(jié)果。可以探索研究其他測量方式，例如參考汽輪機(jī)大軸彎曲度的測量原理，即短時間內(nèi)對軸旋轉(zhuǎn)一圈，軸可看做剛性，通過測量旋轉(zhuǎn)一圈，軸外圓值的變化，來反映出靜撓度。

4 結(jié) 論

經(jīng)多次試驗、排查和原因分析，最終確認(rèn)靜撓度的測量失誤導(dǎo)致抬軸量選擇不合理是發(fā)生異常磨損的根本原因。通過修正靜撓度測量方法，并重新確定抬軸量，有效解決磨損問題?？v覽本問題從發(fā)生到解決，投入了較大的人力物力進(jìn)行排查處理，而最終發(fā)現(xiàn)主要問題原因僅在于裝配工序中一個小工序的方法選擇錯誤，可見設(shè)備從設(shè)計、制造到最終投用是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，每一道工序都應(yīng)該做到標(biāo)準(zhǔn)清晰、文件完整和利于執(zhí)行，并且做好歷史經(jīng)驗的反饋，保證每一次的問題都是下一次設(shè)備完善的基石。