核電主泵的制造工藝及其改進措施分析

朱詩尋

摘要：核電是安全、清潔、高效的能源，已成為目前世界上僅次于火電的第二大能源。中國核電的發展路線是輕水壓水堆，技術處在二代加，接近第三代。目前，中國能夠自主設計建造的核電站最大功率為650MW，而國際上先進的一般都達到百萬千瓦級，美國G E （ 通用電氣公司）公司的ABWR型功率達到1350MW。中國現有核電站4座（廣東大亞灣、嶺澳、浙江秦山、江蘇田灣），已建成9套總計870萬千瓦投入運行；國家計劃在2020年達到4000萬千瓦核電裝機容量，再建1800萬千瓦核電機組，其堆型有重水堆和輕水的壓水堆。目前世界上的核電技術已經發展到了第三代。美國、法國、俄羅斯等都已具備第二代成熟的核電技術，而第三代核電技術在美國和法國等已開始啟動。美國還在聯合其他核電先進的國家進行第四代核電站的研究論證工作。

關鍵詞：非能動技術；冷卻系統；支吊架

一、AP1000核電主泵制造工藝

上世紀80年代的前蘇聯切爾諾貝利和美國三里島核泄漏事故發生后，大眾越來越關注核電站防止核泄漏以及電站安全運行的能力。在核電技術沉寂了近40年后，美國西屋公司研發出了新一代的核電技術--AP1000核電技術。

AP1000核電站采用非能動技術，即其安全系統完全不依賴外部能量，能夠利用自然界的能量如勢能、氣體膨脹和密度差引起的對流、冷凝和蒸發來完成安全功能的技術。AP1000作為第三代核電技術，其經濟性和安全性都在二代加的基礎上有了很大的提高。為了滿足安全性的要求，AP1000核電站采用了屏蔽式主泵。

AP1000主泵有兩套冷卻系統，一套是包裹在電機定子殼體外側的外置水套，一套是外置熱交換器。外置水套內通設備冷卻水，內部眾多的檔條增加了冷卻水流通面積，增加了冷卻效果。外置熱交換器是一臺安裝在泵殼水平位置的管式熱交換器，他的一次管路和電機殼體相連，承受系統壓力，二次側則連通設備冷卻水。在兩套冷卻系統的共同努力下，能夠保證軸承溫度、繞組溫度在可接受的范圍內，不會影響電機壽命。

AP1000屏蔽式主泵也是一臺立式布置的單級離心泵，它的電機和泵處于一個壓力邊界內，沒有軸封，其定子和轉子都帶有屏蔽套，保證其不和腔體內介質相接觸。三代主泵水力部分的結構和二代主泵區別不大，但由于屏蔽套的存在，降低了AP1000主泵的總體效率。

AP1000主泵有四套軸承，上下徑向軸承和上下推力軸承。四套軸承都采用瓦塊式的水潤滑滑動軸承，運行時在軸瓦和軸套之間產生一層很薄的水膜，保證了軸承的潤滑和冷卻，軸瓦的主要材料是石墨，提供了良好的耐磨性能，軸套的材料是表面鍍司太立合金的600合金鋼，具有很高的硬度，保證了60年的設計壽命。該軸承不需要專設的冷卻系統，減少了整個主泵系統的泄漏點。

AP1000主泵的安全功能由上下兩個飛輪來完成，在主泵失電后，由于飛輪的大慣量產生一定時間的惰轉，帶走堆芯產生的熱量，給其余的應急系統的投用爭取關鍵的時間。上下飛輪結構一樣，包括內輪轂、鎢合金塊、外保持環和包殼。內輪轂固定在轉子上，鎢合金塊提供了惰轉所需的配重，而外保持環固定住所有鎢合金塊，使其即使在超速情況下也不會飛散，包殼的作用是將整個飛輪和一回路介質隔離，防止腐蝕。

二、主泵改進核輔助系統新增支吊架設計

（一）主泵改進新增支吊架簡述

福方工程采購了ANDRITZ公司生產的主泵。該主泵方案與參考電站中所用的100D型主泵技術方案變化較大，由此管道布置設計有較大變化，新增并修改管道支吊架共200多個。

（二）主泵改進新增支吊架位置設計

1、管道支吊架位置確定原則

（1）承重架不應大于支吊架的最大間距。管道的支吊架的最大間距是根據強度條件及剛度條件計算決定的。

（2）考慮熱脹應力的影響，減小設備管口的受力，支吊架盡量不要離設備管口過近。ANDRITZ主泵軸封由RCV系統注入。該RCV管道直接跟主泵管口相接，既要考慮管道有足夠的柔性滿足熱漲應力，同時考慮管道有足夠剛度保證事故工況要求。如管道RCV245采用了具有足夠柔性π形布置。如果布置管道直接從主泵管口水平接出，由于泵體本身熱漲位移，導致管口熱漲應力無法通過；另外在確定承重支吊架位置時，由于泵口接管荷載有限制，注意承重架位置盡量不要離管口過近。

（3）考慮事故工況影響，減小設備管口的受力，在合適位置及角度設置必要的減振支吊架。

（4）采用金屬軟管阻止或消弱振動傳遞，達到減振目的。

（5）在集中荷載較大的管道組成件附近設置必要的承重架。

（6）在垂直段重心以上或垂直彎頭附近做承重架，如果垂直段過長，下部可增設導向架。

（7）優先考慮設置支撐點的位置：優先考慮支撐點的位置在管道上，而不是閥門等附件上；優先選擇維修或清洗時不拆卸的直管上。

三、核電泵的抗震分析的要求和過程分析

國內核電項目正在蓬勃發展，主要采用我國自主設計的“二代加”技術和來自美國的“三代加”——“AP1000”技術。

這兩種技術對主要設備的抗地震性能的要求是一致的。2007年7月16日日本新潟柏崎刈羽核電站因地震引發的放射性水泄漏事故更是提醒核電站一定要重視設備的抗震性能。通用機械 GM in Electric Power 譜）和SSE（安全停堆地震樓層反應譜），或者叫SL1（運行安全地震樓層反應譜）和SL2（極限安全地震樓層反應譜）。譜線中有將X、Y、Z方向分別描述的，也有在一張譜線中體現的。每張譜線通常會包含五條阻尼曲線，分別為臨界阻尼的2%、4%、5%、7%和10% 。

對于泵產品OBE的阻尼比值通常是臨界阻尼的2%，而SSE的響應值小于或等于OBE的2倍。 抗震分析的目的在于證明泵設備在OBE和SSE地震期間或之后，能保證結構完整性，包括承壓邊界完整性以及泵的可運行性。

通常要求如下分析。1）泵支撐件和連接螺栓以及地腳螺栓滿足強度要求。2）承壓部件即泵殼及軸承座部件的完整性。3）在運行工況、地震和最大接管載荷共同作用下，保持可運行性，在轉動件與靜止件之間的相對變形應小于它們之間的間隙，不影響運轉。 抗震分析也可以幫助分析泵殼承壓邊界應力分布、泵轉子系統應力分布、泵體、軸承箱和底座的抗震分析等。從這個角度理解抗震分析可以作為設計驗證的一種方法。

四、結語

由于AP1000主泵獨特的設計，取消了軸封，增加了屏蔽套，使得其總效率有所降低。但是，如果將取消軸封帶來的支持系統投入成本、維護成本以及由他帶來的安全成本考慮在內，那選用屏蔽式主泵將會大大的優于傳統的軸封式主泵。

參考文獻：

[1]丁訓慎. 壓水堆核電站蒸汽發生器的制造[J]. 核電站，2003，（4）：11-18.

[2]臧希年，等. 核電廠系統及設備[M]. 北京：清華大學出版社，2006：65-71.

[3]張華祝 .第三代核電技術與中國核能行業的發展（J〕 .國防科技工業，2 0 0 7，（0 6）

[4]唐錫文.A P1 0 00 的先進性、建造風險與未來的改進方向分析〔 A ）.見：李曉文.中國核學會200 7 年學術年會論文集 .2007.