機(jī)械密封組件檢修工具數(shù)字化應(yīng)用實(shí)踐

張明濤，葛行部，張恒碩

1. 浙江東核電力設(shè)備工程有限公司 浙江杭州 310015

2. 山東化工技師學(xué)院 山東滕州 277500

3. 濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東濟(jì)南 250103

1 序言

目前我國在役運(yùn)行的壓水堆電站大多采用軸封式主泵，其中機(jī)械密封組件是主泵的重要組件，它可以保證正常工況下放射性反應(yīng)堆冷卻劑不會經(jīng)由主泵向外泄漏。由于機(jī)械密封組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精密，裝配精度高，現(xiàn)場檢修難度大，特根據(jù)核電站現(xiàn)場工況，設(shè)計(jì)制作一種主泵機(jī)械密封組件檢修工具，以應(yīng)用于復(fù)雜且有一定輻射劑量的場合，以縮短電站大修工期，保證主泵的檢修質(zhì)量，保障電站的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2 主泵與機(jī)械密封組件結(jié)構(gòu)概況

主泵是壓水堆電站一回路系統(tǒng)中唯一的高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，被形象地喻為電站的“心臟”，它屬于核安全Ⅰ級泵，價(jià)格非常昂貴。在當(dāng)前階段，世界上有資質(zhì)、有能力生產(chǎn)它的廠家屈指可數(shù)，它的在役運(yùn)行可靠性直接關(guān)系著整個(gè)電站的運(yùn)行狀況和安全性能。主泵的運(yùn)行條件非?？量蹋盟偷慕橘|(zhì)是壓力152bar（1bar=0.1MPa，下同）、溫度290℃的一回路放射性冷卻劑?？紤]電站運(yùn)行的安全和環(huán)保，要求主泵的泄漏量最小、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性最高，以保障電站長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1，2]。

壓水堆電站的主泵為立式、單級、混流式軸封泵，泵轉(zhuǎn)動部件主要由3段軸和軸承等構(gòu)成，即上泵軸、機(jī)械密封組件、可拆軸、下泵軸和軸承等部件（見圖1）。反應(yīng)堆冷卻劑從底部軸向進(jìn)入，水平徑向高壓泵出。主泵在電站工藝系統(tǒng)流程中的位置如圖2所示。

圖1 主泵結(jié)構(gòu)

圖2 電站工藝系統(tǒng)流程

反應(yīng)堆冷卻劑沿泵軸的防泄漏，由三級串聯(lián)布置的機(jī)械密封系統(tǒng)控制。壓力略高于反應(yīng)堆冷卻劑壓力的密封注入水，阻止一回路帶放射性的冷卻劑向上流入主泵水導(dǎo)軸承和機(jī)械密封，并冷卻水導(dǎo)軸承和密封部件。在可控制泄漏密封之后，密封泄漏液一部分被回收和排出；另一部分密封注入水流過兩道串聯(lián)布置的二、三級密封，并在這兩道密封處通過高壓和低壓管道排出，以保證正常工況下放射性反應(yīng)堆冷卻劑不會經(jīng)由主泵向外泄漏[3]。

機(jī)械密封組件采用模塊化設(shè)計(jì)、集成式裝配，可以從可拆軸處使用專用檢修工具整體拆卸下來進(jìn)行更換。根據(jù)主泵生產(chǎn)商提供的主泵使用維護(hù)要求，電站必須對機(jī)械密封組件進(jìn)行定期的保養(yǎng)檢查。考慮到電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)機(jī)械密封運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均正常的情況下，通常選擇在電站換料停堆維護(hù)期間僅對1臺主泵進(jìn)行拆檢，兩臺主泵輪流進(jìn)行維護(hù)。通常電站會為每個(gè)機(jī)組配1套機(jī)械密封組件作為備件，停堆期間直接更換備件，以保證待維護(hù)的主泵能隨時(shí)投運(yùn)到電站生產(chǎn)中，不致影響到電站的正常運(yùn)行。

3 手動檢修工具的應(yīng)用分析

某電站該型主泵的機(jī)械密封組件的最大直徑為435mm，高度為320mm，質(zhì)量約500kg。其與主泵軸頭配合間隙較?。ɡ碚撻g隙為0～0.02mm），故拆裝風(fēng)險(xiǎn)大。機(jī)械密封承擔(dān)主泵整個(gè)潤滑油系統(tǒng)的循環(huán)工作，若機(jī)械密封安裝質(zhì)量不佳，可能會導(dǎo)致泄漏而引起油泵頻繁起動甚至軸瓦燒毀，而且機(jī)械密封安裝不到位還可能使?jié)櫥托孤┻M(jìn)入主系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致停機(jī)停堆的嚴(yán)重后果。

某電站工作現(xiàn)場使用的機(jī)械密封組件手動檢修工具如圖3所示，根據(jù)曾經(jīng)使用過該工具的操作人員反饋，在維修時(shí)機(jī)械密封與泵軸之間或機(jī)械密封鍵槽與傳動鍵之間經(jīng)常會出現(xiàn)卡澀、咬死等現(xiàn)象。我們在現(xiàn)場對該工具進(jìn)行模擬操作試驗(yàn)，過程簡要如下：將手動檢修工具的中心支撐旋入主泵軸端中心孔內(nèi)，將絲杠上部頂在支撐中心孔內(nèi)，下部頂在下泵軸中心孔內(nèi)，再通過鎖緊螺母使絲杠與上下泵軸形成剛性固定聯(lián)接。在工作時(shí)將連接盤與機(jī)械密封之間用螺栓牢牢緊固，然后通過轉(zhuǎn)動大手輪使絲杠旋轉(zhuǎn)，從而對機(jī)械密封進(jìn)行拆卸[4]。

圖3 機(jī)械密封組件手動檢修工具

經(jīng)過對該手動工具的反復(fù)驗(yàn)證，我們與電站工程技術(shù)人員共同分析，結(jié)合以往同類型主泵維修經(jīng)驗(yàn)和主泵生產(chǎn)商提供的《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》，機(jī)械密封組件維修時(shí)發(fā)生卡澀、咬死等缺陷的原因歸納如下。

1）絲杠在安裝時(shí)與泵軸之間存在夾角偏差且同軸度超差。機(jī)械密封移動時(shí)，中心支撐、絲杠、泵軸聯(lián)軸器等部件的制造偏差造成機(jī)械密封軸線與泵軸軸線產(chǎn)生同軸度偏差；連接盤與絲杠間的傳動間隙也會使連接盤軸線與泵軸中心軸線之間產(chǎn)生相應(yīng)的偏擺，如圖4所示。根據(jù)《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》和電站維修支持處分享的主泵維修經(jīng)驗(yàn)，使用手動檢修工具進(jìn)行維修時(shí)，連接盤安裝精度公差≤0.01mm是滿足現(xiàn)場維修保養(yǎng)順暢的先決條件，但囿于現(xiàn)場工作條件，連接盤安裝精度在很大程度上依賴現(xiàn)場操作人員的操作手感和經(jīng)驗(yàn)。

圖4 連接盤軸線與泵軸中心軸線之間產(chǎn)生偏擺

2）機(jī)械密封組件水平度超差。絲杠與連接盤之間存在傳動間隙，使之發(fā)生傾斜，導(dǎo)致機(jī)械密封組件水平度無法保證，易發(fā)生卡澀。

3）機(jī)械密封裝配時(shí)，傳動鍵與鍵槽配合不良，鍵槽中心線與泵軸中心線偏移量大，大于0.03mm。

4）維修保養(yǎng)過程缺乏可信、可測量的數(shù)據(jù)。

4 機(jī)械密封組件檢修工具的工藝思路和數(shù)字化應(yīng)用

我們通過以上分析，同時(shí)依據(jù)《主泵檢修保養(yǎng)規(guī)程》的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械密封組件檢修工具（見圖5～圖8），其在可拆軸和上泵軸壓蓋拆除后的540mm垂直空間內(nèi)，進(jìn)行精密定位及連接后，可以對機(jī)械密封組件進(jìn)行軸向下降和上升動作，然后安全移出泵體，經(jīng)維修保養(yǎng)后導(dǎo)入泵體再裝配。在操作過程中導(dǎo)入數(shù)字化、智能化等技術(shù)手段，工具的運(yùn)動位移數(shù)據(jù)可以精密檢測和無損輸出，實(shí)時(shí)提供給現(xiàn)場工作人員，作為每一步操作的依據(jù)，規(guī)避了盲目行為和不當(dāng)操作，保全了維修保養(yǎng)部件的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。

圖5 機(jī)械密封組件檢修工具外觀

圖6 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖A（去掉機(jī)械密封）

圖7 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖B（帶機(jī)械密封）

圖8 機(jī)械密封組件檢修工具效果圖C（從上泵軸方向俯視）

4.1 工藝思路

由于主泵的上泵軸和下泵軸的中心孔是精密研磨加工的，所以把它們作為檢修工具的設(shè)計(jì)、工藝定位基準(zhǔn)。

1）檢修工具的下定位錐套組件是以下泵軸的中心孔進(jìn)行定位，當(dāng)中心傳動軸在主泵中心處定位時(shí)，需要通過操作手柄來轉(zhuǎn)動下定位錐套組件，從而實(shí)現(xiàn)中心傳動軸的上升以進(jìn)行剛性固定。

2）將檢修工具機(jī)械密封組件用螺釘通過連接板進(jìn)行結(jié)合固定，通過可調(diào)力矩電動扳手來操作檢修工具，可以漸漸地將機(jī)械密封組件安全平穩(wěn)地拆卸下來。推薦設(shè)定安全扭矩值為6～10N·m。

3）在連接板上安裝有4路CMOS傳感器，其檢測的實(shí)時(shí)4路位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)線傳輸至多通道數(shù)字巡檢儀顯示板。操作人員通過觀察4路實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整相對應(yīng)位置的微調(diào)千分尺，就可以隨機(jī)對拆卸的機(jī)械密封部件進(jìn)行精準(zhǔn)地校正，以保障泵軸中心軸線的同軸度和機(jī)械密封的水平度在可控?cái)?shù)據(jù)范圍內(nèi)，繼而保護(hù)機(jī)械密封組件維修時(shí)不會產(chǎn)生卡澀、咬死等缺陷。

4.2 數(shù)字化、智能化應(yīng)用方案

在連接板內(nèi)部圓周均布立式安裝4路CMOS傳感器，激光輸出輸入點(diǎn)對正上泵軸的下端面。上泵軸的下端面是精加工基準(zhǔn)面，其與泵軸中心軸線是垂直的，連接板的上、下兩個(gè)平面經(jīng)過精密磨削加工，保證其安裝精度控制在≤0.012mm。

1）4路CMOS傳感器在安裝后，以連接板基準(zhǔn)面為檢驗(yàn)基準(zhǔn)，用千分表檢查4路CMOS的激光傳輸基準(zhǔn)面在同一平面內(nèi)，并且與連接板基準(zhǔn)面平行度≤0.012mm。

2）CMOS傳感器的精度選擇10μm等級。4路CMOS傳感器安裝時(shí)做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”，以與多通道巡檢儀顯示板相對應(yīng)。

3）CMOS傳感器的測量范圍應(yīng)與檢修工具垂直移動行程（最大行程360mm）匹配。

4）CMOS傳感器的投光部至受光部的光路傳輸無遮擋、無障礙物（見圖9）。檢測反射面必須清潔、無污物。

圖9 CMOS傳感器檢測模擬效果

5）連接板外側(cè)與CMOS傳感器安裝位置，對應(yīng)安裝有4套微調(diào)千分尺，CMOS傳感器測量基準(zhǔn)為上泵軸端平面。調(diào)節(jié)4套微調(diào)千分尺，使4路CMOS傳感器測量示值誤差≤0.012mm，以保證機(jī)械密封水平度不超差。 4套微調(diào)千分尺安裝時(shí)亦做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”，與多通道數(shù)字巡檢儀顯示板依次相對應(yīng)。

6）CMOS傳感器檢測的4路信號先通過數(shù)據(jù)線無損傳輸?shù)蕉嗤ǖ姥矙z儀，然后再經(jīng)過多通道數(shù)字巡檢儀對數(shù)據(jù)運(yùn)行處理，4路數(shù)據(jù)顯示在多通道數(shù)字巡檢儀的顯示板上（見圖10）。多通道數(shù)字巡檢儀顯示板的右側(cè)設(shè)置有調(diào)整按鈕，調(diào)整非常方便。數(shù)據(jù)也可以通過USB端口得以保存或者與電站控制系統(tǒng)進(jìn)行集成。數(shù)據(jù)線需要事先做好標(biāo)記“1路、2路、3路和4路”。

圖10 多通道數(shù)字巡檢儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

7）多通道數(shù)字巡檢儀與CMOS傳感器共用一組電源，供電電源采用安全低壓直流電源，該電源體積小巧，質(zhì)量輕，容量高。這樣既可以直觀觀測各檢測點(diǎn)的誤差，方便調(diào)整，又可以脫離外接電源、電纜的限制，方便在現(xiàn)場狹小的空間移動。CMOS傳感器電路原理如圖11所示。

圖11 CMOS傳感器電路原理

5 機(jī)械密封組件檢修工具的數(shù)字化應(yīng)用效果

我們把機(jī)械密封組件檢修工具在電站現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證：圖12為操作人員通過檢修工具與機(jī)械密封進(jìn)行連接固定。圖13為操作人員把機(jī)械密封組件成功拆卸下來，落到移動托盤上，準(zhǔn)備移出泵體。圖14為操作人員通過觀察4路實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整相對應(yīng)的微調(diào)千分尺，就可以對拆卸的機(jī)械密封部件進(jìn)行精準(zhǔn)的校正，以保障泵軸中心軸線的同軸度和機(jī)械密封的水平度示值誤差≤0.012mm；檢修工具的升降動作采用可調(diào)力矩電動扳手進(jìn)行操作，可調(diào)力矩電動扳手輸出扭矩控制在6～10N·m，這樣可以有效地保護(hù)機(jī)械密封組件和泵軸等部件在維修保養(yǎng)過程不會被拉傷、燒蝕及損毀。

圖12 機(jī)械密封組件現(xiàn)場驗(yàn)證

圖13 機(jī)械密封組件拆卸成功

圖14 機(jī)械密封組件安裝試驗(yàn)

通過以上的實(shí)踐驗(yàn)證，原手動檢修工具需要多人約1個(gè)工作日的工作量，而新開發(fā)的數(shù)字化檢修工具在電站經(jīng)過短期培訓(xùn)后進(jìn)行現(xiàn)場使用，與手動檢修工具相比，約縮短3/4人力工時(shí)，大幅度地縮短了電站大修工期，減小了現(xiàn)場操作人員受核輻射輻照的風(fēng)險(xiǎn)，提高維修保養(yǎng)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

該工具可陸續(xù)推廣應(yīng)用于其他類似發(fā)電機(jī)組，亦適用于我國自主核電技術(shù)之“華龍?zhí)枴睓C(jī)組，進(jìn)而帶來良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。通過數(shù)字化、智能化的技術(shù)裝備積極賦能水利、核能等領(lǐng)域的生產(chǎn)和建設(shè)，將有力促進(jìn)這些領(lǐng)域的低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展。