核電廠冷卻水泵維修性分析與改造

申伽奇，夏繼豪

摘 要：核電廠的冷卻水泵設備，是核電站回路輔助系統中最為重要的設備之一，其在核電廠發電以及水冷卻過程中發揮著不可替代的重要作用。但是，設備在運行過程中不可避免地會出現一些問題，通過長期的歷史數據調查可以發現，冷卻水泵在使用過程中可能會出現漏水和后期維修性能較差的問題，這也給現場操作人員以及維修管理人員的工作帶來了極大的挑戰。同時，冷卻水設備的問題也會影響到核電站發電設備的正常運轉，會導致核電站發電效率低或回水冷卻性能低下等多種問題。文章主要分析了核電廠冷卻水泵的維修性，并就核電廠冷卻水泵的維修改造方案進行了探討，希望能夠為提升核電廠冷卻水泵的應用性能提供參考。

關鍵詞：核電廠冷卻水泵;維修性;改造方案

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.009

核電廠的設備冷卻水泵，是核反應堆以及一回路輔助系統中的關鍵設備之一，冷卻水泵不僅能夠在核反應堆正常運行時輸送設備冷卻水，同時當發生停堆以及其他問題的狀況下，也能夠持續不斷地向設備輸送冷卻水，冷卻水泵的正常運行與冷卻一回路系統的安全運行具有密不可分的關系。冷卻水泵在運行過程中，采用的是機械與水泵共軸式連接的方法，軸封采用的是散裝式機械密封的方式。

然而，從長期的冷卻水泵運行參數數據看，這種軸封方式會導致冷卻水泵在運行過程中出現嚴重的漏水問題，并且也加大了維修管理人員后期的工作難度。如果軸發生磨損，就必須要更換整個電機，這也增加了維修和管理的時間，同時還為核電廠帶來了高額的維修成本。因此，核電廠必須要分析設備冷卻水泵的維修性以及改造方案，以有效提升改造后的維修效率，幫助核電廠在維修管理過程中降低成本。

1 設備冷卻水泵的基礎參數信息

1.1 設備冷卻水泵簡介

設備冷卻水泵的結構形式主要為單級單吸離心泵，在運行過程中，水泵的運轉和電機的運轉需要共用同一根軸，但是水泵和電機應用的軸分段不同。水泵應用的軸分段屬于電機軸的延伸部分。冷卻水泵的安裝方式為立式掛壁安裝，外殼屬于水平方向的剖分結構。在這樣的結構作用下，冷卻水的進出是通過水平吸入和水平吐出的方式實現的，冷卻水的吸入主要通過進水彎管和進水蓋結合作用實現。設備冷卻水泵的結構圖如圖1所示。

1.2 設備冷卻水泵的解體探究

為了直觀地了解設備冷卻水泵運行過程中出現的實際問題，必須對設備冷卻水泵進行解體檢測。在檢查過程中，筆者發現了以下幾個問題：第一，設備冷卻水泵安裝機封部位的軸磨損較為嚴重;第二，機封內部的摩擦副和靜環座內墻磨損較為嚴重。

2 設備冷卻水泵的維修性分析

設備冷卻水泵中的電機和水泵采用的是同一條軸，這種同軸式結構的優勢在于，冷卻水泵內部的組軸尺寸較小，但是在應用過程中也會出現一定的缺陷，并且后期維修管理工作較為困難。尤其是在使用過程中，如果軸的磨損情況較為嚴重，必須要更換整個電機設備，這也在一定程度上為核電廠的設備冷卻水泵維修增加了一定的成本。本次解體的設備冷卻水泵，電機軸磨損情況就較為嚴重，磨損部位主要處于裝機械密封口處。

通過對核電廠的設備、冷卻水泵尺寸進行測繪工作，再加上與用戶之間進行技術交底，筆者決定將電和水泵采用同一條軸的結構方式改造為分軸式結構。在改造過程中，需要應用剖分式聯軸器，將電機應用的軸與水泵應用的軸相連接，水泵軸與電機軸需要應用分半卡環以及螺栓，將剖分式的聯軸器固定好。剖分式聯軸器屬于一種剛性聯軸器，這種聯軸器在運用過程中具有一定的優勢。剖分式連接軸在組裝及拆卸過程中，不需要采用軸向移動的方式，因此組裝和拆卸的流程較為簡單。除此之外，剖分式連接軸在運行過程中，采用的是軸向力傳導的動力原理，傳動過程中不需要耗費大量的電力。由于本次研究中設備冷卻水泵的轉速較高，最高轉速甚至達到了2 900 r/min，這也導致剖分式聯軸器等運行速度較大。為了減少軸運行過程中的不平衡量，可以將剖分式聯軸器上的六顆螺栓設計成對稱軸的分布方式，并且需要單獨對剖分式聯軸器進行平衡測試實驗，確保剖分式聯軸器在運行過程中減少不平衡量，并且有效降低設備冷卻水泵運行過程中的振動頻率。

通過對該核電廠的設備冷卻水泵進行解體，筆者還發現，設備冷卻水泵的軸封方式為非集裝式機械密封方式。在軸風口處靜環內孔與軸的表面磨損較為嚴重，設備冷卻水泵的壓蓋上并沒有安裝排氣孔。這種非集裝式的機械密封方式，在運行過程中會出現巨大的缺陷。這種密封方式本身的安裝流程較為復雜，并且在運行時容易發生泄露問題，因此在安裝過程中，必須要靈活調整彈簧的壓縮量，這也為施工工人安裝以及后期的維修管理帶來了巨大挑戰。除此之外，非集裝式密封采用的是同一根大型彈簧，這種彈簧在使用過程中會導致摩擦副端面受力不均勻的問題，并且在其風口處還容易發生泄露。由于這種非集裝式機封具有一系列的應用缺陷，因此筆者決定在不改變原有水泵尺寸的情況下，對機械密封的軸封方式進行改造，將原有的非集裝式機械密封方式轉變為集裝式的機械密封方式，以有效防止運行過程中的水泄露問題。

集裝式的機械密封方式，主要是將密封壓蓋以及動靜環結合運用在軸套部位。在安裝過程中，可以應用體型較小的彈簧代替原先的大型彈簧，這種小彈簧能夠確保端面上的彈簧比壓受力較為均勻，并且還不會受到軸直徑變化帶來的影響。集裝式機械密封在正式投入運行前，就需要將彈簧的壓縮量調整到合理位置，在使用過程中，直接將機械密封組裝安裝在傳動軸上就可以應用，不需要再次調整彈簧的壓縮量，整體的安裝操作流程較為簡單。除此以外，在軸的安裝方面還設計了保護套，確保整個冷卻泵的軸能夠與冷卻水分離開來，防止冷卻水與軸帶直接接觸而帶來的磨損或腐蝕問題。與此同時，還在機械密封壓蓋上設置了排氣閥，防止機械密封腔體內存留的氣體導致機械密封損壞[1]。

為了進一步優化轉子的軸結構，本次改造過程中，需要在冷卻水泵上安裝水潤滑倒軸承承受泵轉子運行過程中帶來的壓力。在方案規劃過程中，將導軸承的安裝部位確定在原先安裝葉輪口環的區域。為了確保初步設計規劃的可行性，需要與軸承設計的廠家經過多次技術交底工作，確認該方案是否可行。確認無誤后需要用水潤滑導軸承代替原先的葉輪，這樣既能起到一定的密封作用，同時又能夠更好地承受水泵轉子帶來的作用力。水潤滑導軸承主要的材質為碳纖增強型復合材料，這種材料本身就具有一定的潤滑效果，并且在使用過程中還具有良好的抗磨性能。這項材料在運轉過程中能夠有效縮小運轉閑帶來的空隙。同時，還能防止葉輪摩擦或出現咬合的問題。通過運轉過程中減小口環之間的間隙，還能夠有效提升冷卻水泵等運轉效率，同時降低冷卻水泵機組在運行過程中的振動頻率[2]。

3 設備冷卻水泵的維修改造措施

3.1 改造設備冷卻水泵的電機軸

筆者對電機軸和泵軸采用了分軸式的結構改造方式，并且在分軸連接部位增加了剖分式聯軸器，為了確保分軸式的軸承正常運轉，必須要對電機部分使用的軸承進行改造[3]。在改造之前，首先要精確測量電機軸的尺寸，在現有電機軸的基礎上進行二次加工，并且在電機軸的源頭處添加一道5 mm左右的槽，用來安裝剖分式聯軸器。在改造過程中，需要將原有的電機軸全部拆除，然后對軸承的兩端部位進行支撐，確保軸的徑向跳動空間不超過0.08 mm，如果軸的徑向跳動空間超過了這一系數，就不能在現有的電機軸基礎上進行改造，需要將電機軸全部拆除，重新加工一根全新的軸。經過檢測，筆者發現原有的電機軸跳動系數沒有超過0.08 mm。因此，可以在原有的電機軸基礎上進行二次改造[4]。

3.2 改造設備冷卻水泵的制造泵軸

采用分軸式的結構方式后，需要重新加工一根新的水泵軸，在加工之前需要測繪出設備冷卻水泵全新的結構圖紙。全新的水泵軸采用的是不銹鋼材質，在應用之前，需要對不銹鋼材質進行熱處理工作[5]。

3.3 分軸式結構改造的跳動檢測

在水泵軸與電機軸進行連接之后，需要對分軸式的結構進行跳動檢測。在檢測過后，筆者發現軸跳動系數為0.015 mm。安裝完成后需要裝配葉輪口，并且對葉輪口環的位置進行進一步的跳動檢測，確保測試紙處在0.1 mm左右。

3.4 分軸式結構的保護套安裝工程

為提高水泵機組運行的安全性以及穩定性，需要在電機支架的窗口部位設置保護裝置。保護裝置的材質為金屬材質，需要選擇不銹鋼材料起到一定的耐磨和抗壓作用，并且防止水泵機組在運行過程中，對工作人員造成身體傷害[6]。

3.5 確保轉子動平衡

在水泵機組運行過程中，為降低轉子不平衡而導致的水泵機組振動頻率，必須要對水泵機組的轉子運行參數進行調整，同時需要進行平衡試驗測試。在實驗過程中，需要按照一定的標準進行，確保轉子的動平衡精確度符合G1.0級的標準，允許轉子在運動過程中出現不平衡誤差，但是不平衡量必須要控制在0.1 g的范圍之內[7]。在轉子運動過程中，需要進行去重工作，可以通過在葉輪前壓蓋板上進行去重的方式操作，但是去重的厚度不能超過壓蓋板厚度的1/3。

3.6 維修改造過后的性能測試

在設備冷卻水泵機組維修改造過后，需要對水泵機組進行二次運轉測試，在多次測試后才能驗證維修改造后的水泵機組的運行是否穩定可靠。與此同時，還要對水泵機組的性能參數進行進一步的測試，如圖2所示[8]。在水泵試驗臺上進行測試操作，水泵機組的安裝方式為立式，側掛式安裝，如圖3所示，要在安裝支架上另外設置減震設備，從而降低水泵機組運行過程中的振動頻率。在實驗過程中，需要考核水泵機組運行的穩定性，記錄水泵機組在額定功率下的振動頻率、噪音程度、軸承流暢性以及溫度、水泄漏量等各項參數，實驗過程需要連續10個小時。在這10小時內，如果冷卻水設備機組運行的各項參數保持在穩定范圍內，軸承溫度正常，密封口無水泄露現象，那么就證明本次設備冷卻水泵的維修改造取得了成功，可以在生產線上大批量應用[9]。

4 結語

綜上所述，核電廠在發電過程中，冷卻水泵的運行關系到整個發電機組的運行穩定性以及安全性，但是冷卻水泵在運行過程中會出現一系列的問題，這也為冷卻水泵的維修和管理工作帶來了巨大的挑戰。因此，必須深入分析設備，冷卻水泵運行過程中的維修性，采用科學的改造方式，提高冷卻水泵運行過程中的穩定性，確保冷卻水泵機組在運行過程中能夠發揮其應有的作用。

參考文獻

[1] 高澤民.核電廠設備冷卻水泵維修性分析與改造[J].水泵技術，2019（5）：39-42，52.

[2] 白會賢，文朗，宋曉蘭.核電廠定子冷卻水泵的控制方案設計[J].產業與科技論壇，2016，15（4）：71-72.

[3] 潘曉輝，張軍強.核電廠發電機定子冷卻水泵主備切換失靈分析及處理[J].東北電力技術，2016，37（4）：39-41.

[4] 梁陽，張旭東，薄文.某核電廠發電機定子冷卻水泵振動高分析及處理[J].現代機械，2021（3）：98-102.

[5] 陳海橋，郝朋飛.某核電廠定子冷卻水泵頻繁故障原因分析及優化[J].電工技術，2020（10）：42-43，71.

[6] 尤凌祎.核電廠發電機定子冷卻水泵振動超標分析及改造技術[J].機械制造與自動化，2020（4）：206-208.

[7] 靳曉樂，鄭廣新，劉偉.某核電廠輔助冷卻水泵電機振動故障診斷[J].噪聲與振動控制，2020（6）：140-143，152.

[8] 劉斌，張精干，史慶峰，等.核電廠定子冷卻水泵切換失敗原因分析[J].機械工程師，2021（9）：160-162.

[9] 柏濤.發電機定子冷卻水系統改造和邏輯優化[J].產業與科技論壇，2018（12）：78-79.