摘要： 核主泵作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，其正常運(yùn)行對(duì)于整個(gè)核電站的安全至關(guān)重要.長(zhǎng)期以來，核主泵制造的安全性與可靠性一直是中國(guó)核電技術(shù)發(fā)展的“卡脖子”難題.近年來，得益于國(guó)家對(duì)核電技術(shù)基礎(chǔ)研究的大力投入，以及依托重大課題項(xiàng)目的推進(jìn)，中國(guó)三代壓水堆核主泵國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程在各個(gè)方面都取得了重大成果.文中從核主泵制造及工藝的角度，深入剖析葉輪、泵殼、定子、轉(zhuǎn)子、屏蔽套、密封、軸承等關(guān)鍵部件的發(fā)展歷程，并針對(duì)各部件的材料選擇、加工、裝配工藝、檢測(cè)方法及技術(shù)體系等進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)了中國(guó)核主泵的制造進(jìn)度及難點(diǎn).最后，結(jié)合當(dāng)前核主泵制造的現(xiàn)狀，提出中國(guó)核主泵制造發(fā)展的相關(guān)建議，這對(duì)中國(guó)核電事業(yè)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義.

關(guān)鍵詞： 核主泵；葉輪；泵殼；定轉(zhuǎn)子；屏蔽套；密封；軸承

中圖分類號(hào)： S277.9；TM623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）10-0973-10

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0037開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

龍?jiān)?，胡波，朱榮生，等. 三代壓水堆核主泵關(guān)鍵部件制造及工藝研究進(jìn)展[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（10）：973-982.

LONG Yun，HU Bo，ZHU Rongsheng，et al. Research progress on manufacturing and process of key components of nuclear reactor coolant pump [J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），" 2024， 42（10）： 973-982. （in Chinese）

Research progress on manufacturing and process of key

components of nuclear reactor coolant pump

LONG Yun1*， HU Bo1， ZHU Rongsheng1， FU Qiang1， SUN Qi2， YANG Yu2， YUAN Shouqi1

（1. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. Nuclear Pump Co.， Ltd.， Shenyang Blower Works Group Corporation， Shenyang， Liaoning 110869， China）

Abstract： Since the nuclear reactor coolant pump is the only piece of high-speed rotating machinery in the reactor coolant system， its regular performance is essential to the safety of the entire nuclear power plant. However， China′s nuclear power technology development has long faced difficult issues related to the manufacturing process′ safety and dependability. Thanks to substantial state funding for fundamental research and large project promotion， China′s third-generation pressurized water reactor′s nuclear reactor coolant pump has been localized with notable success in recent years. From a manufactu-ring and technological standpoint， this study offers a thorough analysis of important parts such as the impeller， pump case， stator， rotor， shielding sleeve， sealing and bearing. It also covers the technical standards for every component as well as material selection， processing processes， assembly process and testing procedures. The paper puts forward pertinent recommendations for the advancement of China′s nuclear reactor coolant pump industry in light of the present situation.

Key words： nuclear reactor coolant pump；impeller；pump case；stator and rotor；shielding sleeve；sealing；bearing

隨著環(huán)境問題的日益凸顯，低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和發(fā)展的主要追求目標(biāo)，而低碳經(jīng)濟(jì)與能源問題緊密相關(guān)，作為各種發(fā)電方式中溫室氣體排放最低的核電，其受關(guān)注度越來越高.目前，中國(guó)核電占全國(guó)累計(jì)發(fā)電量的5%，核電發(fā)展?jié)摿薮螅蚀罅﹂_展核電技術(shù)的研究，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電機(jī)組，提升核電的安全性和穩(wěn)定性對(duì)中國(guó)核電事業(yè)發(fā)展具有重大意義.

20世紀(jì)80年代，依托秦山Ⅰ期核電項(xiàng)目，中國(guó)開啟了核電國(guó)產(chǎn)化的探索之路.1991年，秦山Ⅰ期并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)核電零的突破；緊接著秦山Ⅱ期工程開工建設(shè)并于2002年商運(yùn)，但此時(shí)的國(guó)產(chǎn)化率僅為60%.其中，作為核電站心臟的核主泵制造難度極大，嚴(yán)重制約了中國(guó)核電的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程.得益于國(guó)家對(duì)核電技術(shù)基礎(chǔ)研究的大力投入，2018年，中國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的30 MW核電站核主泵通過鑒定，國(guó)產(chǎn)化屏蔽式核主泵成功投入生產(chǎn).2020年11月，“華龍一號(hào)”并網(wǎng)并投入商運(yùn)，其國(guó)產(chǎn)化率達(dá)85%以上，成為了中國(guó)三代核電走向世界的名片.

由于核電技術(shù)體系繁多，包括俄羅斯AES-91、法國(guó)的M310和EPR、美國(guó)的技術(shù)以及國(guó)內(nèi)衍生的系列化技術(shù)等，故核主泵的技術(shù)路線也較多，但根據(jù)目前的主流技術(shù)，從有無軸密封的角度，可將主泵大體分為軸封式和無軸封式（屏蔽式和濕繞組式）[1].軸封式核主泵注重效率，而無軸封式核主泵注重?zé)o泄漏.兩者大多關(guān)鍵部件相似，其基礎(chǔ)理論的研究和發(fā)展及相應(yīng)的加工工藝可相互借鑒，但兩者結(jié)構(gòu)上卻仍存在較大差異，例如，軸封式具有軸密封，而屏蔽式的電動(dòng)機(jī)和葉輪為一個(gè)整體，內(nèi)有屏蔽套隔絕冷卻液.故對(duì)兩者的研究既要整合，又要細(xì)分.目前，從設(shè)計(jì)的角度，對(duì)于核主泵水力模型的設(shè)計(jì)方法已成體系，積累了大量數(shù)據(jù)，具備了較高的水力效率.從制造的角度進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少，但總體上可看出軸封式核主泵的制造難點(diǎn)在于密封和水潤(rùn)滑軸承，而非軸封式核主泵的制造難點(diǎn)在于屏蔽套.

文中旨在從制造的角度概述三代壓水堆核主泵葉輪、泵殼、定轉(zhuǎn)子、屏蔽套、軸封、軸承等關(guān)鍵部件的制造成果及工藝進(jìn)展.

1 水力部件

如圖1所示，核主泵水力部件主要包括葉輪、導(dǎo)葉、壓水室等.目前中國(guó)水力部件設(shè)計(jì)理論已經(jīng)相對(duì)成熟，在理論研究的基礎(chǔ)上從設(shè)計(jì)、加工工藝等角度優(yōu)化各水力部件或者開發(fā)一些水力優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)是目前的主流方向，得益于基礎(chǔ)研究的指導(dǎo)和制造業(yè)發(fā)展的跟進(jìn)，中國(guó)已擁有了綜合性能良好的核主泵水力部件制造工藝[2].

1.1 葉輪

葉輪是核主泵的核心部件之一，需要在高溫、高壓、高輻射的條件下長(zhǎng)期工作.該部件既要滿足尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀、位置等幾何參數(shù)要求，又需在惡劣服役環(huán)境下滿足硬度、疲勞強(qiáng)度等物理性能要求，并且具備抗氧化、耐腐蝕等化學(xué)性能.因此，對(duì)毛坯材料和加工方式選擇，以及加工工藝的細(xì)節(jié)處理等方面必須嚴(yán)格把關(guān).此外，由于核主泵葉輪具有葉片薄、流道深、間距小、葉片曲面自由、流道窄小等特點(diǎn)，加工過程中面臨諸多困難.

1.1.1 發(fā)展歷程

目前可通過電解、電火花、鑄造、數(shù)控銑削等方式對(duì)復(fù)雜葉輪進(jìn)行加工.電解加工精度低，電火花加工成本高，鑄造加工易形成內(nèi)部缺陷，而通過數(shù)控銑削整體加工葉輪不僅效率高，而且柔性好，成為了目前復(fù)雜葉輪加工的首選[3].早在20世紀(jì)末，中國(guó)航天航空領(lǐng)域就已經(jīng)利用四軸數(shù)控機(jī)床加工出了整體葉輪.在核電領(lǐng)域，中國(guó)核主泵葉輪也經(jīng)歷了多種加工工藝的嘗試，從最開始的單個(gè)葉片加工后焊接到葉轂，到整體鑄造葉輪進(jìn)行打磨，這些工藝嘗試積累了大量的理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但成品效果均差強(qiáng)人意.焊接件存在焊接缺陷、焊接質(zhì)量低等問題[4]，例如圖2所示為田灣核主泵葉輪在試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的斷裂失效；對(duì)于整體鑄造件，由于鑄造會(huì)產(chǎn)生砂眼、裂紋等缺陷，因此需要補(bǔ)焊，質(zhì)量難以控制[5]，故2種方法均很難達(dá)到核主泵葉輪的制造要求.近年來數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展迅速，成為核主泵葉輪加工的重要選擇.但由于核主泵葉輪具有“薄、深、小”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使之成為了核電領(lǐng)域復(fù)雜葉輪的典型代表，對(duì)數(shù)控加工精度要求極高且加工過程中極易產(chǎn)生干涉和彈塑性變形，如何避免這些問題進(jìn)而研制出高性能的產(chǎn)品對(duì)于廣大制造商是一個(gè)難題.

1.1.2 數(shù)控加工

數(shù)控加工需根據(jù)圖紙及工件加工要求在數(shù)控系統(tǒng)編制程序，通過數(shù)控系統(tǒng)指揮數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工.目前，對(duì)于核主泵葉輪加工絕大多數(shù)采用五軸加工機(jī)床，大大提高了加工質(zhì)量和效率，擴(kuò)大了工藝范圍.數(shù)控過程一般包括葉輪輪身加工、粗加工葉片片身、半精加工葉根圓角和葉片、精加工葉根圓角、以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或光學(xué)測(cè)量等方法對(duì)葉輪進(jìn)行檢測(cè)等幾個(gè)關(guān)鍵步驟[3].其中，毛坯選用奧氏體不銹鋼材料，其具有韌性好、耐腐蝕等特點(diǎn).粗加工一般以高效為目的，故切削速度和進(jìn)給量應(yīng)盡可能選取大值.半精加工和精加工時(shí)則要根據(jù)工件材質(zhì)和刀尖半徑來選取切削參數(shù).以哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司所公布的非能動(dòng)機(jī)組核主泵閉式鍛造葉輪加工技術(shù)為例，其粗加工采用雙向開粗的加工方式，使用基于殘留模型的加工策略進(jìn)行工位間的銜接，從而使余量均勻，在保證效率的基礎(chǔ)上加工出葉片形狀.半精加工采用單向循環(huán)的進(jìn)刀方式，在葉輪流道中選取多處下刀點(diǎn)，合理計(jì)算刀具角度及其擺動(dòng)范圍，從而保證路徑光滑且不會(huì)發(fā)生干涉.精加工采用分步式分角度多個(gè)工單加工方案，以葉片的扭曲角度將流道分段，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定引導(dǎo)和退出角，使刀柄繞開了干涉區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了流道面的完整加工[6].圖3為經(jīng)數(shù)控加工后的國(guó)產(chǎn)M310水力部件圖.

1.2 泵殼

泵殼作為核主泵的承壓邊界，屬于一級(jí)考核零部件，其計(jì)算數(shù)據(jù)、選用材料、制造、檢測(cè)及驗(yàn)收均需符合美國(guó)ASME和法國(guó)RCC-M標(biāo)準(zhǔn).各國(guó)在設(shè)置核主泵泵殼外形時(shí)，都將其設(shè)置為圓筒式或者近似球面的回轉(zhuǎn)對(duì)稱式.這種結(jié)構(gòu)具有良好的物理性能，工藝性強(qiáng)，有利于加工和探傷.

1.2.1 發(fā)展歷程

20世紀(jì)末，世界上只有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握了核主泵泵殼的生產(chǎn)技術(shù).1997年，中國(guó)一重集團(tuán)通過第1臺(tái)核主泵試驗(yàn)泵殼的研制，解決了泵殼制造上的一些難點(diǎn)，開始進(jìn)行泵殼自主化的探索.歷經(jīng)近20年的努力，中國(guó)核主泵泵殼制造技術(shù)已十分成熟.2010年，中國(guó)二重研制的CPR1000型核主泵泵殼成功澆注.2013年，國(guó)內(nèi)第1臺(tái)核主泵泵殼的射線探傷底片順利通過審查，這標(biāo)志著中國(guó)泵殼國(guó)產(chǎn)化的道路是可行的.2017年，“華龍一號(hào)”示范項(xiàng)目福清核電廠5號(hào)機(jī)組通過驗(yàn)收，突破了大尺寸重量級(jí)鍛件、大差異壁厚、機(jī)械化學(xué)性能要求高等難題.中國(guó)核電領(lǐng)域泵殼鍛造水平達(dá)到歷史新高，已處于國(guó)際領(lǐng)先水平.

1.2.2 制造工藝

近年來，很多學(xué)者對(duì)于泵殼制造工藝及質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，取得了很多成果.泵殼是一種鑄鍛件，以ACP1000泵殼鍛件為例，其材料選用SA508-3低合金鋼.采用EAF/AOD（電弧氬氧脫碳）+LF（鋼包精煉爐）+VD（真空脫氣）+VC（真空澆筑）的方式進(jìn)行冶煉和澆注，然后利用萬噸水壓機(jī)，采用自由鍛工藝進(jìn)行鍛造，鍛后應(yīng)進(jìn)行粗加工、熱處理，以改善鍛件內(nèi)部組織及晶粒度，消除內(nèi)應(yīng)力，最后進(jìn)行半精加工.其中需要注意粗加工后，應(yīng)對(duì)所有表面進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn).在半精加工后需要進(jìn)行目視檢驗(yàn)、超聲波檢驗(yàn)和磁粉檢驗(yàn).圖4為半精加工后的核主泵泵殼鍛件.完成性能熱處理后，應(yīng)在泵殼法蘭端面、進(jìn)水口端面以及出水口端面的延長(zhǎng)段上切取試樣環(huán)及試樣，看是否滿足要求[7]；鑄件材質(zhì)一般為奧氏體和鐵素體相組成的不銹鋼.材質(zhì)最終性能取決于各相分?jǐn)?shù)占比.其中，鐵素體相與其強(qiáng)度相關(guān)，奧氏體與其熱塑性相關(guān).例如，某加工工藝中核主泵泵殼材質(zhì)選用ASME SA351 CF8A，而“華龍一號(hào)”124D型核主泵泵殼材質(zhì)為Z3CN20-09M.冶煉一般采用EAF+LF+VOD（電弧爐+鋼包精煉爐+真空吹氧脫碳）工藝，其中VOD對(duì)C，N控制起到了關(guān)鍵作用，并能實(shí)現(xiàn)鋼液低P，S含量的控制.澆筑采用底注式澆注系統(tǒng)，澆注的重點(diǎn)是澆注的速度、溫度和保溫時(shí)間.澆注速度和保溫時(shí)間直接影響最后的成相組織含量占比，而澆注的溫度如果過高，氣體易混入金屬液中使鑄件產(chǎn)生氣孔和黏砂等較為嚴(yán)重的缺陷；澆注溫度過低時(shí)，金屬液難以流動(dòng)，易產(chǎn)生冷隔、氣孔等缺陷.過程中一般采用冒口、補(bǔ)鐵、冷鐵聯(lián)合鑄造工藝，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部致密.粗加工后應(yīng)進(jìn)行尺寸檢查、目視檢查、100%PT檢查等無損檢查，穩(wěn)定處理后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，判定產(chǎn)品是否合格[8].

2 電動(dòng)機(jī)

世界上起初只有美國(guó)西屋、德國(guó)西門子、俄羅斯新西伯利亞廠通過自主研發(fā)研制出核主泵電動(dòng)機(jī).而在1999年，中國(guó)首個(gè)300 MW核電機(jī)組核主泵電動(dòng)機(jī)也研發(fā)成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白.2012年，哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司成功研制出二代核主泵電動(dòng)機(jī)，中國(guó)核主泵國(guó)產(chǎn)化取得重要進(jìn)展，但取得的成果主要針對(duì)軸封式核主泵電動(dòng)機(jī).日本福島核泄漏事故發(fā)生后，無泄漏的屏蔽式核主泵電動(dòng)機(jī)成為了關(guān)注焦點(diǎn)[9].相比于軸封式核主泵電動(dòng)機(jī)，屏蔽式核主泵電動(dòng)機(jī)與葉輪放置在同一個(gè)殼體內(nèi)，其工作環(huán)境復(fù)雜.故從制造的角度，屏蔽式核主泵電動(dòng)機(jī)制造難度更大.據(jù)統(tǒng)計(jì)，屏蔽電動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫耐蝕合金、不銹鋼材料約占總材料的65%，對(duì)各部件材料的探索及優(yōu)化是目前電動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的主要工作.依托于國(guó)家重大科技專項(xiàng)“屏蔽電機(jī)主泵（電機(jī)部分）研制”等項(xiàng)目，中國(guó)在核主泵屏蔽電動(dòng)機(jī)上也取得了很多成果.2019年，“三代無密封電機(jī)核主泵關(guān)鍵部件研制”通過驗(yàn)收，同年，濕繞組式核主泵樣機(jī)也通過了評(píng)定，解決了中國(guó)電動(dòng)機(jī)的瓶頸問題.

2.1 屏蔽套

相比于軸封式，屏蔽式核主泵的顯著特點(diǎn)是具有2個(gè)屏蔽套，用來將定子繞組與轉(zhuǎn)子銅條與設(shè)備冷卻劑隔開，但屏蔽套的存在加大了定轉(zhuǎn)子之間的距離，還會(huì)引起非常大的渦流損失，降低電動(dòng)機(jī)效率.所以設(shè)計(jì)時(shí)，屏蔽套設(shè)計(jì)得極薄，一般為0.3～0.7 mm，其模型如圖5所示.

屏蔽套薄板材料為耐蝕非磁性金屬哈氏合金，具有耐腐蝕、電阻率高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，很早便應(yīng)用于化工和航天領(lǐng)域.但由于材料成分復(fù)雜，凝固時(shí)容易產(chǎn)生偏析，合金變形抗性大，難以加工，且核主泵屏蔽套所要求的厚度接近國(guó)內(nèi)現(xiàn)有冷軋?jiān)O(shè)備極限，導(dǎo)致材料無法滿足生產(chǎn)要求.“十二五”期間，寶鋼特鋼有限公司添置了特種合金生產(chǎn)線，依托屏蔽套專項(xiàng)課題，與哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司合作，對(duì)鎳基合金冷軋薄板的加工工藝做了大量研究，確定了屏蔽套C-276薄板制造的整套工藝步驟[10].

鑒于核主泵屏蔽套具有超薄大長(zhǎng)徑比的特點(diǎn)，通常選用哈氏合金經(jīng)過精密冷軋制成的薄板作為原材料，同時(shí)考慮到薄板板幅的限制，實(shí)際產(chǎn)品制造需要先將2塊平板拼焊，然后經(jīng)熱軋卷圓以及筒體縱縫焊接后制造而成，制造難點(diǎn)在于焊接.焊接過程需要克服材料尺寸、性能等限制，盡可能避免產(chǎn)生裂紋、氣孔等焊接缺陷[11].21世紀(jì)初，國(guó)際上僅有美國(guó)EMD公司掌握了將氬弧填絲焊接技術(shù)應(yīng)用于核主泵屏蔽套精密焊接的整套技術(shù)手段.中國(guó)雖然引進(jìn)了相關(guān)技術(shù)，但一些制造環(huán)節(jié)仍存在限制.基于此，2014年，劉大為等[12]采購(gòu)了美國(guó)的精密縱縫焊機(jī)，摸索出一套縱縫的焊接方法.馬廣義等[13]針對(duì)引進(jìn)技術(shù)存在的缺陷，首次提出了將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于核主泵屏蔽套并分析了其可行性.蔣立佳等[14]也通過試驗(yàn)證明了激光焊接不會(huì)影響屏蔽套的性能，反而會(huì)減少工作中的渦流損耗.這些基礎(chǔ)研究的儲(chǔ)備，對(duì)解決屏蔽套焊接難點(diǎn)具有推動(dòng)作用.

轉(zhuǎn)子屏蔽套，焊接后極可能由于材質(zhì)受力不均而使屏蔽套產(chǎn)生凹凸不平的皺褶，這對(duì)性能和裝配影響很大.因此，應(yīng)在焊接后、裝配前對(duì)屏蔽套進(jìn)行矯正.當(dāng)下主流的方法是通過精密真空蠕變熱脹形技術(shù)對(duì)其進(jìn)行工藝處理，使工件保留永久塑性變形和蠕變變形.利用此方法還可消除焊后殘余應(yīng)力，提高屏蔽套性能[15].矯形后，則需進(jìn)行裝配使轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套在轉(zhuǎn)子鐵芯上，如圖6所示，轉(zhuǎn)子屏蔽套位于加熱爐中加熱，自由膨脹，冷卻后與轉(zhuǎn)子鐵芯貼合.然而，實(shí)際生產(chǎn)中，常常出現(xiàn)熱套裝過程中屏蔽套過早地箍在轉(zhuǎn)子表面導(dǎo)致熱套失敗的問題.基于此，朱智[16]提出了在轉(zhuǎn)子屏蔽套外包裹1層1.50 mm的保溫層，其熱套時(shí)間可延長(zhǎng)至37 s，降低了熱套難度.

定子屏蔽套一般采用抽真空法或者水壓法進(jìn)行裝配.定子屏蔽套導(dǎo)入定子腔后，需要對(duì)其上部與上封頭，下部與機(jī)殼法蘭進(jìn)行環(huán)焊縫焊接，劉大為等[17]提出了一套環(huán)焊縫的焊接工藝可供參考.焊接后需進(jìn)行射線探傷和氣密性試驗(yàn)，檢測(cè)是否滿足要求.裝配檢測(cè)通過后，雷明凱等[18]提出了一種超聲沖擊增強(qiáng)核主泵定子屏蔽套結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加工方法，如圖7所示，利用超聲沖擊槍在內(nèi)壁沖擊出各種圖案，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的，提高了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

2.2 定子和轉(zhuǎn)子

定子和轉(zhuǎn)子是為數(shù)不多已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的核主泵部件之一.作為電動(dòng)機(jī)的核心部件，定、轉(zhuǎn)子的制造工藝已十分成熟.定子一般經(jīng)過沖片沖制、疊壓、定子下線而制成.轉(zhuǎn)子經(jīng)過沖片沖制、疊壓、熱套轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子端環(huán)焊接、轉(zhuǎn)子銅條脹緊、動(dòng)平衡等基本步驟而制成，其沖片如圖8所示.

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯均由沖片疊壓而成，故需要控制沖片制造時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)來滿足鐵芯要求.制造中沖片極易出現(xiàn)槽形位公差過大、毛刺過大、同板差過大等問題，需要嚴(yán)格控制其工藝.一般工藝流程依次為沖片沖制、毛刺控制、沖片涂漆、尺寸性能檢測(cè).需要注意的是屏蔽電動(dòng)機(jī)因有屏蔽套的存在，沖片內(nèi)圓不能存在接縫，以免造成屏蔽套鼓包，所以不能選用扇形片結(jié)構(gòu)，只能采用整圓沖片形式.去毛刺后，硅鋼片表面漆膜變薄及損傷，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)絕緣電阻降低，故需重新涂漆[19].目前普遍采用水溶性絕緣漆，與傳統(tǒng)的有機(jī)漆相比，該漆具有黏度容易控制、涂層較薄且堅(jiān)韌，不僅提高了鐵芯的疊裝系數(shù)，而且在超長(zhǎng)使役工作中具備不收縮、不松動(dòng)等優(yōu)點(diǎn).

沖片制成及涂漆后，需要進(jìn)行壓裝，針對(duì)定子鐵芯壓裝工藝，形式相對(duì)自由.嶺澳核電站二期核主泵和“華龍一號(hào)”樣機(jī)研制的項(xiàng)目中，定子鐵芯采用拉緊螺桿定位的內(nèi)壓裝工藝.某1 000 MW級(jí)核電站核主泵電動(dòng)機(jī)中，定子疊裝方式為外壓裝，靠胎具定位[20].定子下線需要將定子鐵芯安放于滾輪臺(tái)上，在專用的下線封閉操作間進(jìn)行.定子下線后在浸漆罐內(nèi)對(duì)其進(jìn)行VPI（真空壓力浸漬）處理，并且需要在整個(gè)浸漆過程前后各做1次繞組絕緣耐壓測(cè)試.

而轉(zhuǎn)子鐵芯壓裝工藝，一般為外壓裝，以胎具定位.轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸采用過盈配合，在焊接固定兩端弧鍵后，需要對(duì)每根銅條進(jìn)行脹緊.張鵬等[21]在對(duì)核主泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅條的深入研究中，提出了轉(zhuǎn)子銅條采用UNS C10700材料，利用真空熔煉+真空脫氧的精煉技術(shù)，研制出的產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平.

3 密封及軸承系統(tǒng)

3.1 密封

軸密封是核主泵的心臟，承擔(dān)了防止一回路介質(zhì)外泄的關(guān)鍵任務(wù).20世紀(jì)60，70年代，核主泵機(jī)械密封技術(shù)得到高速發(fā)展，逐漸形成了流體靜壓式、熱流體動(dòng)壓式、流體動(dòng)壓式等密封結(jié)構(gòu)，最后演變成了美式和歐式2種風(fēng)格.美式以西屋公司為代表，設(shè)計(jì)成3級(jí)串聯(lián)式，前2級(jí)按全壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，第3級(jí)設(shè)計(jì)成導(dǎo)流密封.歐式則以德國(guó)KSB公司和奧地利Andritz公司為代表，一般設(shè)計(jì)成4軸承結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示.

Andritz公司每級(jí)結(jié)構(gòu)相同，均按全壓設(shè)計(jì)，而KSB公司壓力一般按4∶2∶2分配[22].國(guó)內(nèi)核主泵通過引進(jìn)、合作、消化、創(chuàng)新已經(jīng)做了大量的準(zhǔn)備工作，取得了很多突破.截至2009年，軸封式核主泵的軸密封技術(shù)是外方對(duì)軸封式核主泵核心技術(shù)封鎖的最后一道屏障.2014年哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司成立了研究小組，研制出合格的密封產(chǎn)品，其零件平面度、平行度、水力曲面誤差值均控制在微米范圍內(nèi)，形成了良好的動(dòng)壓效果[23].

機(jī)械密封一般分為接觸式和非接觸式，接觸式機(jī)械密封磨損嚴(yán)重，但泄漏量小.非接觸式磨損相對(duì)較輕，但泄漏量大.機(jī)械密封的核心組件為密封環(huán)，密封環(huán)性能好壞的關(guān)鍵取決于動(dòng)靜環(huán)的性能.在非接觸式中，動(dòng)環(huán)與泵軸連接，隨泵軸一起旋轉(zhuǎn)，其由內(nèi)環(huán)、滑動(dòng)環(huán)、外環(huán)組成，端面一般設(shè)計(jì)成高精度的平面.靜環(huán)則與泵殼連接，靜環(huán)不可轉(zhuǎn)動(dòng)但可沿軸線移動(dòng).動(dòng)環(huán)與靜環(huán)間形成液膜，減小了磨損.西屋公司的核主泵的一號(hào)密封便采用此類結(jié)構(gòu).在接觸式中，靜環(huán)與動(dòng)環(huán)直接接觸，故動(dòng)環(huán)采用高硬度材料，靜環(huán)采用石墨等軟質(zhì)材料用來減小磨損[24].

核主泵密封環(huán)的制造存在2大矛盾，一是其使用材料必須滿足耐腐蝕、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高等條件，但這類材料注定難以加工；二是密封環(huán)尺寸大，需采用大研磨機(jī)，但目前大研磨機(jī)會(huì)導(dǎo)致磨件的機(jī)械性能不均勻.故想要加工出合格的產(chǎn)品難度極大[25]，其制造步驟一般為機(jī)床加工、熱套、研磨、拋光.其中，研磨制造為關(guān)鍵工序，尤其以波形曲面的加工難度最大[26]，斜波紋密封環(huán)如圖10所示.隨著工藝的進(jìn)步，波形曲面的加工方法從最原始的仿形法磨削到預(yù)變形平面研磨，再到最后的激光加工，盡管工藝上有了很大提高，但也難以滿足核主泵密封環(huán)要求，只能通過半手工半機(jī)械的方式進(jìn)行研磨，故目前世界上只有少數(shù)企業(yè)能制造.由中國(guó)自主生產(chǎn)的動(dòng)壓型密封環(huán)已用于福清核電站，效果良好.

當(dāng)下，大量工作都是針對(duì)軸封式核主泵軸密封進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化密封設(shè)計(jì)和制造工藝.例如魏邦華等[27]針對(duì)方家山核電主泵第3級(jí)密封壓力低、泄漏量偏高的問題，提出在密封壓蓋與第3級(jí)導(dǎo)向環(huán)之間安裝1個(gè)墊片的方案.陳侃等[28]針對(duì)國(guó)內(nèi)某1 080 MW核電廠大修時(shí)發(fā)現(xiàn)核主泵泄漏、壓力異常，最終認(rèn)為合適規(guī)格的O形圈能提高有涂層的靜環(huán)導(dǎo)環(huán)的壽命.也有人針對(duì)密封圈本身及其加工工藝進(jìn)行研究.馮光[22]針對(duì)超精密的磨削方法做了大量工作，用高精度試驗(yàn)驗(yàn)證了利用杯狀砂輪線性磨削的可行性.隨著材料、數(shù)控、機(jī)械等多學(xué)科的發(fā)展，密封裝置的完整性已成為一個(gè)熱點(diǎn)方向.

3.2 軸承系統(tǒng)

核主泵的定位和支撐主要靠軸承來實(shí)現(xiàn).目前針對(duì)核主泵軸承的潤(rùn)滑方式有油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑.油潤(rùn)滑軸承易形成油膜，且對(duì)材料的腐蝕作用小.在第三代核主泵之前，各國(guó)大多都采用油潤(rùn)滑軸承.第三代核主泵要求機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行60 a，故對(duì)各類零部件的壽命提出了更高的要求.由于水的運(yùn)動(dòng)黏度較小，水潤(rùn)滑軸承的磨損程度較低，目前第三代屏蔽式核主泵普遍采用水潤(rùn)滑軸承.但水潤(rùn)滑軸承形成的水膜薄承載力低，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都成為制約中國(guó)核主泵發(fā)展的關(guān)鍵因素.20世紀(jì)40年代前，蘇聯(lián)就開始了對(duì)水潤(rùn)滑軸承的研究，隨后的10年間，英國(guó)、丹麥、芬蘭也做了大量工作.在20世紀(jì)50年代，中國(guó)自主生產(chǎn)的水潤(rùn)滑軸承就應(yīng)用于船舶業(yè)中，但對(duì)其理論研究卻在后60年才開始進(jìn)行[29].長(zhǎng)期以來，中國(guó)核主泵軸承依賴進(jìn)口，2018年5月，三環(huán)復(fù)材成功研發(fā)了改性PPESK樹脂復(fù)合材料推力軸承；2018年6月，湖南承德科技股份有限公司成功研制出雙向滑動(dòng)軸承，用于“華龍一號(hào)”項(xiàng)目中；2019年，第四代核主泵軸承也研發(fā)成功；2021年，哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司[30]公布了一套雙向推力軸承的定位工藝，采用基準(zhǔn)傳遞的方法，用密封室和上泵軸定位使雙向推力軸承與下導(dǎo)軸承同軸且轉(zhuǎn)動(dòng)部件位于中心位置.此工藝已用于恰?，敽穗娬荆Ч己?這些方面的技術(shù)突破填補(bǔ)了中國(guó)核電事業(yè)的空白，中國(guó)核主泵軸承技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平.

無論是三軸承還是四軸承結(jié)構(gòu)，主要都由推力軸承和徑向軸承組成.推力軸承承擔(dān)了系統(tǒng)的軸向負(fù)荷，一般由可傾式推力瓦、推力盤、軸承支座構(gòu)成.推力瓦瓦基為不銹鋼材質(zhì)，表面有一層耐磨材料，浸漬石墨、硅化石墨、純碳石墨曾均被應(yīng)用于核主泵軸承[31].推力盤表面多為平面，材料為不銹鋼，利用熱等靜壓技術(shù)使表面嵌有鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，與軸瓦形成了硬質(zhì)合金-石墨摩擦副.支座采用整體結(jié)構(gòu)，用來支撐整個(gè)軸承.但有類似軸承在核主泵惰轉(zhuǎn)時(shí)燒瓦，故雷明凱等[32]闡述了一套以表界面完整性為控制量的加工檢測(cè)一體化制造原理，建立了推力軸承設(shè)計(jì)參數(shù)、制造性能、制造工藝及表界面完整性之間的定量關(guān)系.采用正反問題復(fù)合求解的方式，指出推力瓦瓦面應(yīng)選用碳纖維增強(qiáng)聚芳醚熱塑性樹脂基復(fù)合材料，定位機(jī)構(gòu)采用WC-Ni合金并用高速火焰噴涂，實(shí)現(xiàn)了軸承部件的高性能制造.所制推力軸承如圖11所示.

徑向軸承承擔(dān)了系統(tǒng)的徑向載荷，如圖12所示，目前使用最多的有360°圓柱軸承和可傾瓦徑向軸承.圓柱軸承中，軸瓦采用一種經(jīng)特殊處理后的浸漬石墨熱套到不銹鋼軸承殼體內(nèi)部，此軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性較弱.可傾瓦徑向軸承靈活性高，但軸承支點(diǎn)磨損的不確定性較大[33].對(duì)于核主泵軸承的研究，從結(jié)構(gòu)方面，還需設(shè)計(jì)出具有更高承載力的結(jié)構(gòu)；從材料及工藝方面，需提高如硅化石墨等現(xiàn)有材料的成品率及穩(wěn)定性，積極探索新型復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn).

5 結(jié)論與展望

“十四五”規(guī)劃中提到要加快建設(shè)“華龍一號(hào)”“國(guó)和一號(hào)”等先進(jìn)示范堆，探索核能多元利用，推進(jìn)模塊化的核能發(fā)展.這也給中國(guó)核電發(fā)展帶來了新的機(jī)遇.目前，中國(guó)核電水平已處于世界領(lǐng)先地位，自主研發(fā)的2種第三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”和“國(guó)和一號(hào)”已成為中國(guó)核電領(lǐng)域走向世界的名片.在中國(guó)擁有完備工業(yè)體系的基礎(chǔ)上，立足于核電關(guān)鍵設(shè)備核主泵精密制造的各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝很多還處于研究層面，類似密封件、軸承、核心水力部件還依賴進(jìn)口.因此從核主泵完整性的角度優(yōu)化核主泵各零部件的整體性能，加強(qiáng)各部件間的物理、機(jī)械性能的連接是一個(gè)前沿方向.但這依賴于機(jī)械制造中各技術(shù)的進(jìn)步和跨學(xué)科的融合.因此可從核電站標(biāo)準(zhǔn)體系、材料開發(fā)應(yīng)用、材料加工、加工設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備等方面進(jìn)行提高.

在各核電站之間的聯(lián)系上，中國(guó)核電亟需建立相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，確定完整的標(biāo)準(zhǔn)體系.中國(guó)核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由早期沿用的EJ標(biāo)準(zhǔn)過渡到NB標(biāo)準(zhǔn)，后期又引進(jìn)了多方技術(shù)，形成了多堆型、多伙伴的局面.目前，大亞灣核電站采用RCC標(biāo)準(zhǔn)，田灣核電站采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，三門核電站在基于ASME標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)了部分自己的標(biāo)準(zhǔn)，故在中國(guó)缺乏一套統(tǒng)一調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)的情況下，國(guó)內(nèi)各制造廠、研發(fā)人員很難針對(duì)共性問題做出基礎(chǔ)性突破.針對(duì)各個(gè)核電廠的技術(shù)突破存在遲滯時(shí)間、跨領(lǐng)域的成果應(yīng)用很難普及的情況，2020年10月26日，中國(guó)首次正式發(fā)布《壓水堆核電廠一回路冷卻劑系統(tǒng)設(shè)備和管道保溫層設(shè)計(jì)規(guī)范》，這表明，中國(guó)已向核電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[34]領(lǐng)域邁出了一大步.2021年5月，馮曉東等[35]從核主泵現(xiàn)有規(guī)范、各部件承載力及各部件與介質(zhì)接觸等方面探討了質(zhì)保等級(jí)的定義規(guī)范，創(chuàng)造了一個(gè)良好的開端.核電其余相關(guān)規(guī)范也應(yīng)盡快由相關(guān)部門牽頭擬定，這對(duì)中國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義.

在材料開發(fā)及應(yīng)用上，核主泵所用的銅合金需要滿足高熱導(dǎo)率、高耐蝕性和高強(qiáng)度等多重要求.中國(guó)在這些特殊材料的研究和生產(chǎn)方面仍存在困難.故應(yīng)著重開發(fā)各類復(fù)合材料，針對(duì)核主泵實(shí)際運(yùn)行工況中各易損部件的材質(zhì)進(jìn)行探索.金屬材料與復(fù)合材料連接技術(shù)的應(yīng)用目前也是一個(gè)前沿方向[36].在核主泵中探索各微小零部件間的連接技術(shù)對(duì)核主泵的完整性及其使用年限是提升機(jī)組穩(wěn)定性及完善第四代核電的可行突破口.

在材料加工技術(shù)上，數(shù)控加工技術(shù)在核電領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)還未得到充分發(fā)揮.加工產(chǎn)品的完整性、從綜合層面考慮產(chǎn)品性能的加工工藝還不成熟.在刀軌設(shè)計(jì)、刀具姿態(tài)變化、以進(jìn)給率為參考的工藝等方面都還存在不足[37].因此，可借助最近提出的走刀矢量場(chǎng)的概念，形成局部與整體兼顧走刀新模式.充分考慮加工切削性能與刀具運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系，開發(fā)魯棒性強(qiáng)的進(jìn)給率插補(bǔ)，對(duì)核主泵的精密性和完整性加工具有明確的現(xiàn)實(shí)意義.

在加工設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備上，中國(guó)還缺乏部分高端設(shè)備，例如在復(fù)雜的葉輪加工、特種合金材料焊接、高精度的磨削和拋光等方面，國(guó)外核主泵制造廠商采用先進(jìn)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、CAD/CAM等高精度數(shù)控加工設(shè)備，提高了部件的整體性能.此外，核主泵是一個(gè)高可靠性的設(shè)備，其安全性和可靠性需要通過嚴(yán)格的檢測(cè)和測(cè)試來保障.例如，中國(guó)的檢測(cè)設(shè)備在振動(dòng)測(cè)試、腐蝕檢測(cè)、裂紋檢測(cè)精度等方面都存在一定差距，因此中國(guó)在核主泵加工及檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備方面，還需要進(jìn)一步提高.

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（責(zé)任編輯 盛杰）