淺析核電汽輪機(jī)通流改造實(shí)施難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

鄒遠(yuǎn)波

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

為配合核電廠運(yùn)行許可證延續(xù)評(píng)審工作，秦一廠對(duì)300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)通流部件及其配套設(shè)備進(jìn)行了全面升級(jí)改造。在不改變一回路原有設(shè)備的前提下，通過技術(shù)手段將汽輪機(jī)額定功率提升至350 MW，并使機(jī)組的使用壽命再延長(zhǎng)20年。

作為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)投入商業(yè)運(yùn)行的壓水堆核電汽輪機(jī)，由于核電技術(shù)管理及行業(yè)的特殊性，在核電汽輪機(jī)通流改造方面尚無可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。為了更好地完成300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)的通流改造，核電廠以項(xiàng)目管理的方式推進(jìn)汽輪機(jī)的通流改造，對(duì)制約核電汽輪機(jī)的通流改造質(zhì)量及檢修工期的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對(duì)設(shè)備制造質(zhì)量控制、安裝質(zhì)量與風(fēng)險(xiǎn)控制等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)施難點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判，提出一系列行之有效的技術(shù)方案及管理措施。

本文將就300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)的通流改造實(shí)施過程中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過程中的控制措施進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)國(guó)內(nèi)其他核電汽輪機(jī)的通流改造提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 核電汽輪機(jī)通流改造的背景及意義

1.1 提高核電機(jī)組運(yùn)行水平的需要

300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)投運(yùn)的核電汽輪機(jī)，該型汽輪機(jī)是脫胎于20世紀(jì)70年代的西屋公司600 MW火電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。鑒于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平及機(jī)械加工手段的限制，機(jī)組的通流部件主要采用直葉片設(shè)計(jì)，整體熱效率較低。通過汽輪機(jī)通流改造，一方面可采用新的設(shè)計(jì)及加工技術(shù)消除汽輪機(jī)原有的設(shè)計(jì)與制造缺陷,提高運(yùn)行安全性,另一方面可提高汽輪機(jī)的熱效率,降低運(yùn)行成本。

1.2 開展國(guó)內(nèi)核電運(yùn)行許可證延續(xù)技術(shù)研究的需要

作為清潔能源，核電在國(guó)家能源體系中發(fā)揮出越來越重要的作用。為了更好地促進(jìn)核電行業(yè)的健康發(fā)展，有必要進(jìn)行核電運(yùn)行許可證延續(xù)的相關(guān)技術(shù)研究，在保證核安全的前提下適當(dāng)延長(zhǎng)核電機(jī)組的運(yùn)行年限，提高核電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。從核電廠關(guān)鍵設(shè)備的老化評(píng)定分析結(jié)論來看，300 MW級(jí)核電機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器、安全殼及蒸汽發(fā)生器等具有足夠的安全裕度，可保證機(jī)組安全運(yùn)行50～60年。而二回路的汽輪機(jī)及配套發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命僅為30年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一回路主設(shè)備的可運(yùn)行年限。因此，需要適當(dāng)延長(zhǎng)汽輪發(fā)電機(jī)及其輔機(jī)設(shè)備的使用壽命，使之與一回路主設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命匹配，從而滿足核電廠運(yùn)行許可證延續(xù)的需求。

1.3 核電汽輪機(jī)通流改造的可行性分析

從2014年年底開始，通過對(duì)300 MW級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)組及其配套的反應(yīng)堆熱功率、常規(guī)島熱力系統(tǒng)、發(fā)電相關(guān)的主要設(shè)備長(zhǎng)達(dá)3年的試驗(yàn)和理論分析，論證了通流改造后將功率提升到350 MW的可行性。主要完成的分析項(xiàng)目及分析結(jié)論如表1所示[1]。

表1 300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)通流改造的可行性分析主要項(xiàng)目

分析結(jié)果表明，300 MW級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)組更新改造后功率提升至350 MW后，反應(yīng)堆熱功率低于加強(qiáng)工況下反應(yīng)堆熱功率，對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量小于允許最大流量，二回路輔機(jī)系統(tǒng)總體滿足功率提升后的運(yùn)行要求。因此，通流改造是可行的。

2 核電汽輪機(jī)通流改造實(shí)施難點(diǎn)分析

本次核電汽輪機(jī)通流改造以延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命為主要目的，同時(shí)要兼顧機(jī)組的增容提效，以改善機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。影響汽輪機(jī)通流效率的主要因素有各項(xiàng)漏汽損失、葉型結(jié)構(gòu)損失及二次流損失等，因此提高通流熱力性能和效率的關(guān)鍵途徑是“盡量減少汽輪機(jī)漏氣損失”和“采用更加先進(jìn)的新型高效葉片”。[2]

300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)為單軸、三缸四排汽、兩級(jí)MSR、凝汽式汽輪機(jī)，由一個(gè)雙流高壓缸和兩個(gè)雙流低壓缸串聯(lián)布置組成。在此次改造的通流設(shè)計(jì)上除低壓末兩級(jí)長(zhǎng)葉片外，高、低壓通流部分均采用AIBT 整體通流技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1 AIBT整體通流技術(shù)示意圖

通流結(jié)構(gòu)的變化給設(shè)備的制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來了較大的困難，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)設(shè)備制造階段的質(zhì)量管理難度大。核電汽輪機(jī)通流改造涉及大量部件的加工制造，需要多個(gè)廠家、多個(gè)工種協(xié)同完成，質(zhì)量控制點(diǎn)分散，管理難度高；

2)新舊部件的匹配性難以控制。改造前后轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)、通流跨距、葉片長(zhǎng)度、葉片型式及葉片數(shù)量等均發(fā)生了較大變化，與現(xiàn)場(chǎng)不更換的汽輪機(jī)外缸匹配難度大；

3)行車資源需求量大。施工階段涉及大量的汽輪機(jī)新、舊部件的拆裝和吊運(yùn)，整個(gè)通流改造對(duì)行車資源的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)汽輪機(jī)解體；

4)通流間隙測(cè)量調(diào)整工作復(fù)雜。所有的通流間隙測(cè)量必須按照新機(jī)安裝的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，需要檢修人員反復(fù)測(cè)量修正，工作復(fù)雜，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大；

5)軸系中心找正難度高。軸系中心必須按照新機(jī)安裝要求重新調(diào)整，既要兼顧原有基礎(chǔ)的沉降、又要保證軸系中心的找正質(zhì)量，施工難度高；

6)管道焊接質(zhì)量控制難。通流改造引起了汽、水、油大量相關(guān)管道的更換，這些管道絕大部分為焊接管道，焊口數(shù)量多，焊接實(shí)施的質(zhì)量難以控制；

7)潤(rùn)滑油系統(tǒng)開口防異物要求高。施工期間，汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)幾乎完全處于開口狀態(tài)，增大了異物和粉塵進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)油系統(tǒng)的清潔度控制極為不利。

3 實(shí)施難點(diǎn)的主要應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)制約核電汽輪機(jī)通流改造實(shí)施總體質(zhì)量的主要技術(shù)難點(diǎn)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中采取了一系列有針對(duì)性的技術(shù)方案及控制措施，主要有：

3.1 監(jiān)理單位駐廠監(jiān)造與業(yè)主見證有機(jī)結(jié)合

采取了設(shè)備監(jiān)造與業(yè)主見證相結(jié)合的質(zhì)量控制方法。一方面委托有資質(zhì)的監(jiān)理單位派專業(yè)的監(jiān)理工程師進(jìn)駐制造廠監(jiān)造，對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備的制造過程開展全方位監(jiān)督；另一方面，發(fā)揮業(yè)主的管理優(yōu)勢(shì)，結(jié)合核電廠質(zhì)量管理的特點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)制造廠的質(zhì)量管控。例如：

1)在重要部件開始制造前設(shè)置“開工條件審查”見證W點(diǎn)，對(duì)制造廠質(zhì)量保證體系進(jìn)行審查，確保各項(xiàng)先決條件符合HAF003《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定 1991》以及HAD003/03《核電廠物項(xiàng)和服務(wù)采購(gòu)中的質(zhì)量保證1986》的相關(guān)要求；

2)對(duì)重要的檢驗(yàn)、制造節(jié)點(diǎn)設(shè)置業(yè)主見證W點(diǎn)或H點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響制造質(zhì)量及進(jìn)度的質(zhì)量問題，并快速協(xié)調(diào)解決。

3.2 加固廠區(qū)道路、改造行車，保證運(yùn)輸與起重安全

受電廠工藝系統(tǒng)布置特點(diǎn)制約，部分廠區(qū)道路承載能力較差，特別是在進(jìn)入保護(hù)區(qū)的部分路面，平均載荷僅為10 t/m2，不滿足汽輪機(jī)大件運(yùn)輸需求。經(jīng)過核算后，提前對(duì)廠區(qū)道路薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了加固處理。在運(yùn)輸路線上所有過路電纜溝、管溝的路寬范圍及車輪可能壓到的蓋板下都砌筑磚墻，并在溝內(nèi)設(shè)置槽鋼立柱，既保證了汽輪機(jī)部件的運(yùn)輸安全，又保護(hù)了管溝、電纜溝內(nèi)的設(shè)備設(shè)施安全。

汽輪機(jī)通流改造后，1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子及中間軸組件的整體質(zhì)量由改造前的63.6 t提高到73.8 t，包含吊具的整體起重質(zhì)量達(dá)到76.1 t，超出原汽機(jī)廠房行車75 t的允許最大載荷。因此，對(duì)行車主梁底部受力最大的跨中區(qū)域加“π”型梁加固，并對(duì)主起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了配套升級(jí)，使行車允許最大載荷提升到80 t，滿足了汽輪機(jī)通流改造后的起重需求。

3.3 在線加工高壓外缸腰帶及低壓外缸導(dǎo)流錐

采用三維測(cè)量及在線加工技術(shù)，消除了汽輪機(jī)新舊部件之間的配合尺寸偏差，為高壓內(nèi)缸、低壓轉(zhuǎn)子的順利就位創(chuàng)造了基本的技術(shù)條件。如在高壓缸解體后采用三維成像測(cè)量技術(shù)，對(duì)高壓外缸與高壓內(nèi)缸、靜葉持環(huán)的配合尺寸進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，確定了高壓外缸腰帶的加工要求，并采用專用在線鏜床對(duì)高壓外缸各個(gè)腰帶部位進(jìn)行了精確加工，順利裝入高壓內(nèi)缸及靜葉持環(huán)。在低壓轉(zhuǎn)子安裝時(shí)，為適應(yīng)低壓轉(zhuǎn)子通流跨距增大的需求，現(xiàn)場(chǎng)采用專用鋸片式銑刀對(duì)導(dǎo)流錐端面進(jìn)行了加工，增大了低壓外缸兩端導(dǎo)流錐的端面距離。

3.4 改進(jìn)檢修工器具，降低對(duì)行車的依賴

為提高檢修行車資源的利用效率、增加檢修有效作業(yè)時(shí)間，結(jié)合汽輪機(jī)檢修特點(diǎn)對(duì)部分檢修工器具進(jìn)行了改進(jìn)，提高了作業(yè)安全性，大大降低了對(duì)行車的依賴。典型的工器具改進(jìn)包括：

1)設(shè)計(jì)開發(fā)靜葉持環(huán)及隔板的專用擱架，使靜葉持環(huán)及隔板可按照安裝的方位直接垂直放置，提高了起重作業(yè)效率及吊裝安全性，節(jié)省大量作業(yè)時(shí)間；

2)開發(fā)制作專用電動(dòng)檢修盤車，使汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中心測(cè)量調(diào)整工作不再需要行車配合，顯著提高了汽輪機(jī)軸系中心測(cè)量調(diào)整的安全系數(shù)和工作效率。

3.5 優(yōu)化關(guān)鍵工序的檢修工藝，提升工作質(zhì)量及效率

針對(duì)汽缸加熱螺栓的拆裝、通流間隙測(cè)量及軸系中心找正等關(guān)鍵剛性工序的檢修工藝及測(cè)量方法進(jìn)行了優(yōu)化：

1)通過優(yōu)化汽缸中分面螺栓的拆裝工序避免“窩工”現(xiàn)象。同時(shí)，采用更為先進(jìn)的渦流高頻加熱技術(shù)，大大提高了汽缸螺栓的拆裝效率和一次成功率；

2)采用楔形通流間隙測(cè)量尺替代傳統(tǒng)的塞尺，顯著縮短了通流間隙的測(cè)量時(shí)間；

3)采用三維激光跟蹤儀測(cè)量各個(gè)軸承中分面的相對(duì)標(biāo)高，并與理論計(jì)算值對(duì)比，獨(dú)立驗(yàn)證軸系中心找正結(jié)果，提高了中心測(cè)量的準(zhǔn)確性；

4)通過優(yōu)化聯(lián)軸器銷子螺栓及螺母的安裝位置，同時(shí)輔以“車削螺母減重”的方法，使聯(lián)軸器任意中心線兩側(cè)的螺栓及螺母總質(zhì)量偏差不大于2 g，大大降低不平衡量。

3.6 提高油、汽、水管道的焊接質(zhì)量

汽輪機(jī)通流改造涉及各類口徑、材質(zhì)的焊縫數(shù)量總計(jì)達(dá)到543道。核電廠管道焊縫檢查及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是：“檢查發(fā)現(xiàn)焊縫存在超標(biāo)缺陷時(shí)，再抽查該缺陷焊縫焊工所焊的焊縫，再抽查的焊縫數(shù)量為存在超標(biāo)缺陷焊縫的2倍。如再抽查的焊縫中又發(fā)現(xiàn)焊縫存在超標(biāo)缺陷，則該焊工所焊的全部焊縫進(jìn)行100%射線檢查(RT)?！盵3]為滿足這一嚴(yán)格的焊縫檢驗(yàn)要求，針對(duì)本項(xiàng)目涉及的油、汽、水管道的焊接質(zhì)量控制提出了三項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施：

1)通過材質(zhì)光譜分析，逐一核實(shí)焊接母材信息，為焊接工藝卡編制提供正確的信息；

2)針對(duì)每一道焊縫編制焊接質(zhì)量計(jì)劃，實(shí)行100%見證，提高焊縫的焊接一次成功率；

3)執(zhí)行100%無損檢測(cè)要求，確保所有焊縫質(zhì)量可知、可控。

3.7 嚴(yán)格控制潤(rùn)滑油系統(tǒng)的清潔度

通流改造期間，通過加強(qiáng)防異物管理及優(yōu)化檢修工藝，使?jié)櫥拖到y(tǒng)的清潔度得到了保證，提高了潤(rùn)滑油品質(zhì)，具體技術(shù)措施有：

1)對(duì)開口封堵物逐項(xiàng)登記造冊(cè)，系統(tǒng)恢復(fù)前逐項(xiàng)拆除并檢查簽字，防止遺漏；

2)設(shè)置清潔度檢查H點(diǎn)，獨(dú)立檢查系統(tǒng)清潔度；

3)所有焊縫均采用“氬弧打底加電焊蓋面”或“全氬弧”的焊接，防止焊渣成為異物；

4)提高清潔度驗(yàn)收要求，做到“采用白手套擦拭內(nèi)壁無明顯變色”，方可驗(yàn)收；

5)采用離線濾油及多臺(tái)濾油機(jī)同時(shí)濾油的策略，提高潤(rùn)滑油系統(tǒng)沖洗效率和效果。

4 核電汽輪機(jī)通流改造效果評(píng)價(jià)

在本次核電汽輪機(jī)的通流改造實(shí)施過程中，通過改進(jìn)安裝方法、制作專用工裝、優(yōu)化檢修工藝、強(qiáng)化質(zhì)量控制等措施大大提高了機(jī)組安裝效率和安裝質(zhì)量。如汽缸螺栓的加熱拆除時(shí)間由原來的20 min/顆縮短到3 min/顆；汽輪機(jī)整個(gè)軸系完成一次百分表安裝和對(duì)中測(cè)量的時(shí)間由原來的1 h縮短到約20 min；潤(rùn)滑油系統(tǒng)沖洗時(shí)間由原來的72 h縮短為36 h。整個(gè)作業(yè)期間未出現(xiàn)異物失控、設(shè)備損傷、人員傷害等事件，各類汽、水、油管道的焊縫質(zhì)量檢查100%合格，安全質(zhì)量狀況總體良好。改造后經(jīng)過一個(gè)燃料循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)跟蹤，確認(rèn)與安裝質(zhì)量相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)均優(yōu)于改造前，具體如表2所示。

表2 安裝質(zhì)量相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

續(xù)表

通過此次300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)的通流改造，基本解決了該機(jī)型的設(shè)計(jì)缺陷及長(zhǎng)期運(yùn)行積累的疑難問題。改造后的核電汽輪發(fā)電機(jī)組熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)組在TMCR工況，修正至設(shè)計(jì)條件下發(fā)電機(jī)出線端電功率由320 MW提升為357 MW，汽輪機(jī)發(fā)電熱效率由34.28 %提高到35.86 %，機(jī)組性能得到顯著提升，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)保證要求[4]。

300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)通流改造系國(guó)內(nèi)首次實(shí)施，在核電汽輪機(jī)組通流改造相關(guān)的設(shè)備制造質(zhì)量及安裝質(zhì)量控制方面積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)其他核電機(jī)組開展運(yùn)行許可證延續(xù)技術(shù)研究及汽輪機(jī)通流改造具有一定的示范意義。