(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(gè)獨(dú)立、冗余系列組成，每一列都有兩種運(yùn)行模式，即安注(SI)運(yùn)行模式和余熱排出(RHR)運(yùn)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(jì)工況和設(shè)計(jì)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(jí)臥式離心泵，設(shè)計(jì)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(duì)泵的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力提出了較高要求，若泵的軸套、葉輪和其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件不可控磨損，可能會(huì)引起MHSI泵損壞故障而無(wú)法運(yùn)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(yàn)后拆解磨損概況

2018年12月3日，某核電廠1號(hào)中壓安注泵在制造過程中進(jìn)行性能、耐久和啟動(dòng)試驗(yàn)等功能性試驗(yàn)，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(hào)、7號(hào)葉輪后密封環(huán)磨損較為嚴(yán)重，有無(wú)法測(cè)量的摩痕溝槽，具體磨損情況如圖1所示。2號(hào)泵于2019年6月4日進(jìn)行性能和耐久試驗(yàn)，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(yàn)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(duì)中不好等。

針對(duì)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(yàn)過程的偶發(fā)現(xiàn)象，并更換了其他泵重新進(jìn)行試驗(yàn)，問題仍然存在。其后質(zhì)疑試驗(yàn)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(yàn)，但也無(wú)法解決磨損問題。鑒于磨損問題多次發(fā)生，且無(wú)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(jì)生產(chǎn)的主要流程，采取全過程排查，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了徹底排查，共識(shí)別21個(gè)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(jì)、制造、裝配和試驗(yàn)工序均滿足運(yùn)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(cè)量項(xiàng)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(jí)管理的思路，通常采用重點(diǎn)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(duì)未發(fā)現(xiàn)問題的工序，其排查過程不展開詳述。

臥式多級(jí)泵在總裝過程中需要對(duì)轉(zhuǎn)子抬軸量進(jìn)行測(cè)算，從而確定轉(zhuǎn)子在靜子中的位置，對(duì)于中小型泵通常選取動(dòng)靜部件之間的總間隙來(lái)確定轉(zhuǎn)子抬軸量，但由于大型泵的軸承跨度大且級(jí)數(shù)多，軸的彎曲增加，在確定抬軸量時(shí)，需要先測(cè)量轉(zhuǎn)子的靜撓度，從而計(jì)算得出抬軸量，因此靜撓度測(cè)量是一個(gè)影響抬軸量的關(guān)鍵工序。靜撓度測(cè)量方法錯(cuò)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(cè)量問題的具體分析。

2 靜撓度測(cè)量問題分析及改進(jìn)

臥式多級(jí)泵總裝時(shí)要求轉(zhuǎn)子和靜子盡可能同心，對(duì)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(zhǎng)且其上裝載著很多部件，其靜撓度較大，確定抬軸量時(shí)必須予以重點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)靜部件之間發(fā)生意外摩擦，反過來(lái)又影響水泵性能。可見轉(zhuǎn)子靜撓度直接關(guān)系著水泵運(yùn)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(gè)檢查項(xiàng)目。經(jīng)核查裝配過程，除精校轉(zhuǎn)子校中心時(shí)抬軸量存在問題，其他方面裝配滿足計(jì)算文件要求，泵精校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子中心時(shí)，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(jí)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(lái)進(jìn)行測(cè)量。具體操作步驟通常為兩端固定，選取左右測(cè)量點(diǎn)和中間點(diǎn)，移動(dòng)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。某核電廠中壓安注泵裝配中，靜撓度的測(cè)量軸兩端為Y型鐵支撐，基準(zhǔn)平臺(tái)由機(jī)床平臺(tái)改成以保證平整，采用百分表進(jìn)行測(cè)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(cè)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(diǎn)兩端的位置作為測(cè)量起點(diǎn)。但是由于MHSI泵中間位置設(shè)計(jì)有中間軸套，靠近轉(zhuǎn)子軸承的位置與中間軸套處(B點(diǎn))位置的外徑相差太大，超過百分表量程。在實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)子靜撓度時(shí)操作者為便于調(diào)整測(cè)量?jī)x表位置選取了錯(cuò)誤的基準(zhǔn)點(diǎn)，以2級(jí)葉輪和5級(jí)葉輪前密封環(huán)外圓為基準(zhǔn)零點(diǎn)(圖中A/C兩點(diǎn))，由A/C點(diǎn)平移打表至B點(diǎn)，檢查中間軸套處的撓度值，使檢測(cè)數(shù)值偏離實(shí)際。錯(cuò)誤的測(cè)量方法定名為方法一，具體如圖2所示。

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

靜撓度選點(diǎn)錯(cuò)誤導(dǎo)致靜撓度測(cè)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(cè)量對(duì)比如下，具體如圖4所示。現(xiàn)將兩種方法進(jìn)行計(jì)算，以對(duì)比兩種測(cè)量結(jié)果的差別。

圖2 轉(zhuǎn)子部件擾度測(cè)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(cè)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(cè)量方法對(duì)比圖Fig.4 Comparison of two static deflection measurement methods

兩種靜撓度測(cè)量按如下方式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中：I——按照測(cè)量方法1檢測(cè)所得撓度值;

I′——按照測(cè)量方法2檢測(cè)所得撓度值;

兩種測(cè)量方法的計(jì)算結(jié)果如表3所示，從對(duì)比表可知，錯(cuò)誤的選點(diǎn)位置導(dǎo)致B處的靜撓度測(cè)量值無(wú)法真實(shí)反映轉(zhuǎn)子最大撓度。方法1所得出的最大撓度I比測(cè)量方法2測(cè)出的最大靜撓度值I′小了約50%，按照錯(cuò)誤撓度值來(lái)選擇抬軸量，其動(dòng)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(cè)量方法結(jié)果對(duì)比[4]

3 改進(jìn)驗(yàn)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(cè)量方法有誤，無(wú)法真實(shí)反映轉(zhuǎn)子最大撓度值。通過靜撓度測(cè)量方法修正，即加裝工裝并修改兩側(cè)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，重新測(cè)出真實(shí)靜撓度，最后結(jié)合設(shè)計(jì)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(dòng)間隙，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)比[4]

調(diào)整泵抬軸量后，對(duì)某核電廠3號(hào)機(jī)組3臺(tái)中壓安注泵分別進(jìn)行了20 h耐久試驗(yàn)，水力及機(jī)械性能滿足泵技術(shù)規(guī)格書要求，試驗(yàn)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(duì)問題仍有需要注意和值得優(yōu)化的地方，提出如下3點(diǎn)后續(xù)重點(diǎn)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(yùn)行后的檢修，因此需要

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

2)測(cè)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(cè)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(diǎn)的選點(diǎn)可能與中間位置存在較大偏差，通過加工測(cè)量工裝來(lái)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(huì)引進(jìn)新的偏差，并且測(cè)量平板的平整度也可能影響最終測(cè)量結(jié)果?？梢蕴剿餮芯科渌麥y(cè)量方式，例如參考汽輪機(jī)大軸彎曲度的測(cè)量原理，即短時(shí)間內(nèi)對(duì)軸旋轉(zhuǎn)一圈，軸可看做剛性，通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)一圈，軸外圓值的變化，來(lái)反映出靜撓度。

4 結(jié) 論

經(jīng)多次試驗(yàn)、排查和原因分析，最終確認(rèn)靜撓度的測(cè)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(cè)量方法，并重新確定抬軸量，有效解決磨損問題。縱覽本問題從發(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(gè)小工序的方法選擇錯(cuò)誤，可見設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造到最終投用是一個(gè)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(yàn)的反饋，保證每一次的問題都是下一次設(shè)備完善的基石。