百萬千瓦核反應(yīng)堆主泵電機(jī)整體更換技術(shù)研究

楊全超，童益華，陳錦裕，田 濤

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

1 概述

核反應(yīng)堆一回路主冷卻劑泵（簡稱主泵）是核反應(yīng)堆的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一的轉(zhuǎn)動設(shè)備。主泵用于驅(qū)動高溫高壓、具有放射性的冷卻劑，以提供足夠的流量冷卻反應(yīng)堆堆芯，將堆芯中產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路，確保并保持偏離泡核沸騰比（DNBR）大于1.3。

“華龍一號”機(jī)組為我國完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電機(jī)組[2]，其配套主泵電機(jī)為三相鼠籠式異步感應(yīng)電動機(jī)，額定功率7500 kW。受核島廠房空間限制，為了實現(xiàn)泵組的緊湊布置，泵與電機(jī)采用鋼性聯(lián)軸器連接，使電機(jī)與泵共用一組雙向推力軸承，整個泵組軸承采用“半傘式”三軸承[3]布置，如圖1 和圖2 所示。

圖1 某型主泵組結(jié)構(gòu)

圖2 泵組轉(zhuǎn)子布置

在核電廠的換料停堆大修工作中，主泵電機(jī)的解體檢修工作一直占據(jù)著大修的關(guān)鍵路徑。如何既能保證檢修質(zhì)量又能減緩主泵電機(jī)檢修給大修關(guān)鍵路徑的壓力，一直是各運行電廠努力尋求解決的問題。在此背景下，主泵電機(jī)“整體更換，離線檢修”的維修模式應(yīng)運而生。該模式突破了以往電機(jī)維修只能在大修中進(jìn)行的掣肘，將電機(jī)解體檢修的絕大部分工作放在日常工作中進(jìn)行，不僅大大減少了對機(jī)組大修工期的影響，充足的日常時間也有效保證了電機(jī)的檢修質(zhì)量。如圖3 所示，對比電機(jī)整體更換策略和原始電機(jī)檢修策略的檢修流程可以發(fā)現(xiàn)，采用主泵電機(jī)“離線檢修，整體更換”的檢修策略以后，大修主線工期明顯縮短12 d。

圖3 電機(jī)原始檢修工藝和電機(jī)整體更換流程及工期對比

2 技術(shù)難點分析

實現(xiàn)主泵電機(jī)的整體更換主要有2 個技術(shù)難點。

2.1 聯(lián)軸器同鉆鉸

三軸承設(shè)計主泵要求泵軸與電機(jī)軸通過1 組剛性聯(lián)軸器共用1 組導(dǎo)軸承[4]，這就要求軸系有較高的對中精度。為此，不同的主泵制造商設(shè)計了不同的聯(lián)軸器連接方式用以保證軸系的傳動精度，例如德國KSB 主泵采用Hirth 型聯(lián)軸器[5]，該型主泵采用剛性聯(lián)軸器通過8 個平銷來實現(xiàn)2 根軸的對中定位和傳遞扭矩，如圖4 所示。實施該型電機(jī)整體更換，需要對電機(jī)自帶的聯(lián)軸器與原始泵軸的聯(lián)軸器進(jìn)行適配，即平行銷孔同鉆鉸。制造廠一般利用大型加工設(shè)備對平行銷孔實施同鉆鉸。但是當(dāng)設(shè)備安裝到現(xiàn)場之后，由于現(xiàn)場的加工設(shè)施條件受限，一般較難在現(xiàn)場按照制造廠的加工工藝完成同鉆鉸工作[6]。將聯(lián)軸器組件拆除后一并返廠處理又將占用大量的主線時間，因此，需要針對該工況條件設(shè)計一款便捷的工裝，實現(xiàn)主泵聯(lián)軸器銷孔的現(xiàn)場同鉆鉸，使電機(jī)整體更換在現(xiàn)場實施成為可能。

圖4 某型主泵聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

2.2 對中

軸系三軸承結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電機(jī)軸與泵軸共用1 組徑向?qū)лS承和1 組軸向推力軸承[7-8]，整個軸系為剛性連接，因此對軸承的對中要求較高。該型號主泵泵組的對中工藝較為特殊：主泵電機(jī)在熱檢修廠房首先進(jìn)行單體對中、電機(jī)和上電機(jī)支座對中，然后組合體運至核島和泵軸對中。按照傳統(tǒng)對中工藝要求，電機(jī)在島內(nèi)與泵對中過程需要將泵的機(jī)械密封全部拆除，并進(jìn)行數(shù)次聯(lián)軸器的拆裝才能完成對中，工藝非常復(fù)雜。

現(xiàn)有工藝主要缺點：①泵聯(lián)軸器及機(jī)械密封的拆裝工作需要占用電機(jī)檢修關(guān)鍵路徑約72 h，將直接造成主線工期延期72 h；②該型泵聯(lián)軸器軸和聯(lián)軸器之間是通過對稱的雙鍵來傳遞扭矩的，如圖5 所示，主泵電機(jī)上半聯(lián)軸器和泵軸的間隙為0.02～0.04 mm，泵軸和聯(lián)軸器的材料較軟且極易拉傷，所以在泵軸聯(lián)軸器拆裝的過程中可能拉傷咬死，存在需要破壞拆卸的風(fēng)險；③因為對中需要拆除泵機(jī)械密封（反應(yīng)堆一回路壓力邊界），會影響泵的壓力邊界可靠性以及設(shè)備過度維修，浪費人力物力資源。

圖5 雙鍵傳動聯(lián)軸器

因此，需要針對電機(jī)整體更換方案重新設(shè)計一套對中工藝，減少設(shè)備檢修工作量同時節(jié)省檢修主線工期。

3 優(yōu)化策略

3.1 聯(lián)軸器同鉆鉸技術(shù)

針對聯(lián)軸器同鉆鉸的技術(shù)難點，設(shè)計一種用于剛性聯(lián)軸器平行銷孔同鉆鉸的工裝，在保證聯(lián)軸器銷孔加工精度要求的同時，擺脫對大型加工設(shè)備的依賴，實現(xiàn)在現(xiàn)場完成平行銷孔同鉆鉸工作。該工裝示意圖如圖6 所示。

圖6 主泵電機(jī)聯(lián)軸器同鉆鉸工具

新工裝包括平行鉸刀、滑軌支架A、滑軌支架B、導(dǎo)向塊、滑軌、滑塊、底座、錐柄延長桿、磁力鉆、底座定位塊、墊塊、螺栓A及螺栓B；磁力鉆安裝在底座上，通過磁力鉆基座電磁鐵與碳鋼材質(zhì)底座之間的磁吸力實現(xiàn)二者的固定；磁力鉆通過錐柄延長桿與平行鉸刀連接；磁力鉆在底座上能夠自由調(diào)整使得平行鉸刀的回轉(zhuǎn)中心與待鉸銷孔同心；底座的下方設(shè)有4 個圓柱形的底座定位塊，每個底座定位塊的下端設(shè)有圓柱形的墊塊，墊塊的下端設(shè)有用于緊固的螺栓A；底座定位塊、墊塊及螺栓A，用于調(diào)整底座端面與聯(lián)軸器端面的平行度，保證磁力鉆電機(jī)的回轉(zhuǎn)中心與平行銷孔的同心度；底座與中間軸之間通過4 顆螺栓A穿過中間軸的螺孔進(jìn)行緊固；在底座的下方平行設(shè)有上下2 組滑軌支架A 與滑軌支架B；滑軌支架A 與滑軌支架B 均為半圓形，二者的兩端分別通過1 個螺栓B 連接，二者形成一個圓環(huán)抱緊在中間軸上；在滑軌支架A 的中部設(shè)有導(dǎo)向塊，用于作為錐柄延長桿的穩(wěn)定裝置；在上下2 組的滑軌支架A 之間，且在導(dǎo)向塊兩側(cè)設(shè)有2 根平行的滑軌，在滑軌上連接有1 個滑塊，滑塊在2 根滑軌上能夠上下滑動；在滑塊中間設(shè)有能夠穿過錐柄延長桿的滑孔，用于作為錐柄延長桿的穩(wěn)定裝置；通過導(dǎo)向塊和滑塊與錐柄延長桿的配合，保證磁力鉆的扭矩穩(wěn)定傳遞到安裝在錐柄延長桿端部的平行鉸刀上，并通過平行鉸刀完成高精度的鉆鉸工作。

在進(jìn)行同鉆鉸前，應(yīng)先使半聯(lián)軸器和中間短軸對中，并使用螺栓緊固，將對中后的聯(lián)軸器組件固定在基座上保持水平；依次安裝同鉆鉸工裝，選擇合適的平行鉸刀，開啟磁力鉆保持勻速擴(kuò)孔，逐步更換下一規(guī)格尺寸的平行鉸刀，直至2 部件銷孔同心為止。

3.2 對中工藝優(yōu)化

參考該型主泵安裝調(diào)試的良好實踐和設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了對中工藝優(yōu)化，如圖7 所示。

新工藝有如下特點：不進(jìn)行機(jī)械密封的拆除，省去了拆裝機(jī)封的主線工作時間；規(guī)避了泵聯(lián)軸器與泵軸拆裝的卡澀風(fēng)險，有效提高了檢修質(zhì)量控制；依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點改變電機(jī)軸與泵軸對中的參考位置，簡化了對中工藝要求。

對中工藝優(yōu)化具體步驟：粗調(diào)泵軸的位置，使泵軸處于密封室的中心；盤動電機(jī)轉(zhuǎn)子，測量中間聯(lián)軸器上端面跳動，精調(diào)泵軸位置使聯(lián)軸器上端面跳動≤0.01 mm；調(diào)整電機(jī)的位置同時盤動電機(jī)軸，使軸跳動≤0.01 mm 則對中合格。

4 應(yīng)用和效益

通過探索、固化主泵電機(jī)整體更換工藝，提高了核反應(yīng)堆主泵電機(jī)檢修質(zhì)量，且具有廣闊的推廣價值和社會效益。

圖7 聯(lián)軸器圓周架表

（1）將主泵電機(jī)全解檢查的關(guān)鍵步驟轉(zhuǎn)移至大修前完成，大大提升了關(guān)鍵部件的檢修質(zhì)量。根據(jù)運行技術(shù)規(guī)范要求，機(jī)組啟動期間任何1 臺主泵不可用，將直接制約機(jī)組狀態(tài)上行；功率運行期間，任何1 臺或以上主泵發(fā)生故障跳泵，均會導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆、機(jī)組停機(jī)的重大故障事件。主泵電機(jī)運行可靠性將直接影響主泵設(shè)備運行安全，探索并固化電機(jī)整體更換工藝，將電機(jī)解體檢查的關(guān)鍵步驟放在大修前非關(guān)鍵路徑上進(jìn)行，大大減小了檢修工作的時間壓力，有效保證了檢修質(zhì)量。此外，離線組裝的電機(jī)單體還可在電機(jī)單體試驗臺上進(jìn)行試運轉(zhuǎn)，用于提前考核電機(jī)的檢修質(zhì)量，及早發(fā)現(xiàn)可能的檢修偏差，確保機(jī)組上行路徑通暢。

（2）節(jié)省了大修關(guān)鍵路徑至少12 d，經(jīng)濟(jì)效益顯著。參考圖3 電機(jī)整體更換和電機(jī)原始檢修工藝流程及工期，通過對采用電機(jī)整體更換策略和原始電機(jī)檢修策略的檢修流程對比，采用主泵電機(jī)“離線檢修，整體更換”的檢修策略以后，大修主線工期明顯縮短12 d。對于百萬千瓦級核電機(jī)組，單次大修將直接為電廠帶來1.2 億元的發(fā)電收入。

（3）具有廣泛的推廣價值。“華龍一號”核電機(jī)組是根據(jù)福島核事故經(jīng)驗反饋以及我國和全球最新安全要求，研發(fā)的先進(jìn)百萬千瓦級壓水堆三代核電技術(shù)，是完全具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的項目，它的技術(shù)性能和安全指標(biāo)都達(dá)到了國際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平，是中國核電“走出去”的主打品牌。在國家大力推動裝備制造技術(shù)背景下，該型主泵已成為我國自主研發(fā)的三代核電機(jī)組主要配套裝備。隨著華龍機(jī)組的逐步推廣，該型主泵電機(jī)“離線檢修，整體更換”的工藝必將推向全球。

5 結(jié)論

針對某型主泵三軸承結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)過系統(tǒng)分析和實踐研究，成功實現(xiàn)主泵電機(jī)的更換工作，取得了明顯有益效果：①適應(yīng)性地開發(fā)了聯(lián)軸器同鉆鉸工具，徹底擺脫了傳統(tǒng)同鉆鉸孔工藝對大型加工設(shè)備的依賴，打破現(xiàn)場無法實施同鉆鉸的局限性，使得現(xiàn)場實施主泵電機(jī)整體更換成為可能；②優(yōu)化了軸系對中工藝，省去了拆裝機(jī)封的主線工作時間，規(guī)避了泵聯(lián)軸器與泵軸拆裝的卡澀風(fēng)險，有效提高了檢修質(zhì)量控制。

應(yīng)用實踐表明，本工藝顯著提高了核電廠安全運行水平，有效提高了核電廠運行經(jīng)濟(jì)性與可靠性。