孫鵬

摘 要

三代核電AP1000循環(huán)水泵采用動葉可調(diào)立式金屬混流泵，在國內(nèi)核電廠尚屬首次應(yīng)用，沒有成熟檢修經(jīng)驗(yàn)。筆者對循環(huán)水泵輪轂靜平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行比較、分析，對測桿法作了重點(diǎn)介紹，力求為后續(xù)類似形式循環(huán)水泵自主檢修積累更多經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞

循環(huán)水泵;輪轂;靜平衡;測桿法

中圖分類號： H02K17/16 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 66

0 引言

循環(huán)水泵（簡稱：循泵）是循環(huán)水系統(tǒng)的心臟，作為海水輸送的動力源，是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，制造和檢修過程必須得到足夠重視。三代核電采用的立式金屬混流循泵在日本核電廠有三十年的良好使用業(yè)績和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但在國內(nèi)核電廠尚屬首次應(yīng)用，缺少制造、檢修技術(shù)積累。

本文以某核電循泵的輪轂結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，選用日本三菱供貨的動葉可調(diào)式混流循泵，在制造、檢修與傳統(tǒng)的循泵存在較大的差異[1]。其輪轂內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造或檢修后不平衡量過大可能引發(fā)循泵在工作狀態(tài)劇烈振動。根據(jù)日本三菱循泵運(yùn)行維護(hù)要求，當(dāng)進(jìn)行輪轂葉片更換時，需要對整個輪轂組件進(jìn)行靜平衡，如返廠進(jìn)行維修后靜平衡試驗(yàn)，將面臨廠外運(yùn)輸周期長、運(yùn)輸過程不可預(yù)知損壞風(fēng)險、費(fèi)用高等問題，因此，有必要分析研究可在現(xiàn)場實(shí)施的輪轂靜平衡技術(shù)。

1 循泵結(jié)構(gòu)概況

AP1000循泵為立式、單級、浸沒式混流泵，泵體由喇叭口，碗狀出口管、柱狀接管、出口彎管、軸、葉片及導(dǎo)向軸承等主要部件組成[2]。具有流量大（139800m3/h），電機(jī)功率大（7700kW），轉(zhuǎn)速低（163.3rpm），運(yùn)行維護(hù)成本較高等特點(diǎn)。由于循泵的轉(zhuǎn)速較低，精度要求不高，因此輪轂組件不進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，僅進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

2 輪轂組件結(jié)構(gòu)

輪轂組件主要由6個葉片、輪轂及導(dǎo)水錐組成，輪轂內(nèi)有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。輪轂組件為開式葉輪，單級單吸。輪轂連帶葉片及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量為16噸，最大外徑將近3.4m，軸向長度為2.1m，許用不平衡量（g）=3.17×重量（g）/轉(zhuǎn)速（r/min）/半徑（cm），該平衡精度為制造廠日本三菱標(biāo)準(zhǔn)。

3 輪轂靜平衡試驗(yàn)方法分析

輪轂靜平衡試驗(yàn)是輪轂制造和檢修中的重要技術(shù)，通過靜平衡消除不平衡力矩，確保核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。AP1000循泵輪轂由于葉片角度可調(diào)，靜平衡試驗(yàn)時需保證葉片全角度范圍的靜平衡均滿足要求，技術(shù)要求較高。

3.1 輪轂靜平衡基本步驟如下

（1）對輪轂進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

（2）對6個葉片進(jìn)行稱重。

（3）根據(jù)上述兩個步驟的結(jié)果，合理布置葉片裝配的位置，以求輪轂和葉片的不平衡都夠相互抵消一部分，達(dá)到較好的整體的靜平衡狀況。

（4）裝配好葉片后，對輪轂組件整體進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

3.2 輪轂整體靜平衡試驗(yàn)方法

目前國內(nèi)常用的轉(zhuǎn)子靜平衡方法主要有鋼球鏡面式、靜壓油支撐式、三點(diǎn)承重式和測桿法靜平衡。

3.2.1 鋼球鏡面式

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，可分為臥式靜平衡和立式靜平衡。臥式靜平衡試驗(yàn)一般適用于直徑小于1.4m的混流式轉(zhuǎn)輪，本文不做討論。

立式靜平衡，采用鋼球在水平鏡面上或凹球面上滾擺的方法。將被測對象置于一鋼球上，觀察被測對象重心相對于幾何中心線的偏移方向和偏移量，而后給予消除和糾正。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟，在被測對象質(zhì)量較小時精度較高;缺點(diǎn)是要求輪轂重心必須低于鋼球中心，否則就會存在傾翻的危險，且占用空間較大，測量周期長，關(guān)鍵部件易受損害。當(dāng)被測對象質(zhì)量較重時，接觸點(diǎn)應(yīng)力和靜摩擦力較高，帶來了系統(tǒng)誤差，使測量精度降低。

3.2.2 靜壓油支撐式

靜油壓平衡法是改進(jìn)型的鋼球平衡法，原理步驟均基本相同，區(qū)別在于在鋼球和平衡鏡面之間用高壓油膜作為隔離層，并能自由擺動。相比鋼球鏡面法達(dá)到了降低摩擦系數(shù)和提高靈敏度的效果，但缺點(diǎn)是裝備投資費(fèi)用大且研發(fā)制造耗時長，仍未解決傾覆危險，裝置龐大，且存在技術(shù)專利限制。一般適用于重量200T以上的大型轉(zhuǎn)子。

3.2.3 三點(diǎn)稱重式

此方法首次應(yīng)用于2006年，原理完全不同于鋼球鏡面式，屬于機(jī)電一體化裝置，一般包括被測對象、稱重平臺、稱重傳感器。其原理是將三個同型號傳感器置于120°間隔的圓周三點(diǎn)上，被測對象中心與圓心同心，通過傳感器電壓信號測量轉(zhuǎn)子的不平衡量，根據(jù)里的分解與合成，計算出成被測工件的重量，找到在水平面上不平衡量的投影位置與大小，并計算出加重或者去重的重量和位置。

此方法存在原理誤差，使用的大量程稱重傳感器很大的制約了測量精度：受傳感器精度、信號變送器精度、傳感器離散度、傳感器布置精度的影響。還需在工作水平面精確調(diào)平，水平面加工質(zhì)量要求高，對操作人員的要求較高。其系統(tǒng)復(fù)雜程度較其他方案高、經(jīng)濟(jì)性不如其他方案，目前應(yīng)用較少。

3.3.4 測桿法

測桿法也稱應(yīng)力棒式靜平衡法，是國際先進(jìn)的靜平衡技術(shù)之一，加拿大GE公司2009年最先采用此技術(shù)，已證明測桿應(yīng)變法的平衡精度高于鋼球平衡精度。

測桿應(yīng)變法平衡原理是在平衡支柱的頂端放置測桿（即貼有應(yīng)變片的應(yīng)力棒），測桿上部放置托板，轉(zhuǎn)輪放在托板上或與托板機(jī)械把合連接，平衡時，轉(zhuǎn)輪不平衡量將由托板傳遞給測桿一彎曲力，測桿變形，貼附的應(yīng)變片也產(chǎn)生變形，如圖1所示。依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變原理，用應(yīng)變儀測出測桿彎曲應(yīng)力的數(shù)值及方位，通過增減轉(zhuǎn)輪重量來消除不平衡。結(jié)構(gòu)相對簡化，造價大幅降低，并在結(jié)構(gòu)上排除了接觸點(diǎn)高應(yīng)力/摩擦力等不利因素。

3.3 輪轂靜平衡方法比較和選用

（1）鋼球鏡面式占用空間較大、關(guān)鍵部件易受損害、存在固有傾覆風(fēng)險。

（2）靜壓油支撐式裝置復(fù)雜、開發(fā)周期長、成本高、且未解決傾覆風(fēng)險，存在技術(shù)專利限制。

（3）三點(diǎn)承重式系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、對操作者要求高，工藝成熟性不高，目前較少應(yīng)用。

（4）測桿法基本可有效避免上述問題，具有平衡技術(shù)先進(jìn)、精度高，操作簡便，造價低等特點(diǎn)。

考慮前三種方法的局限性，某電廠選用測桿法最為輪轂靜平衡實(shí)施方法。

3.4 某核電測桿式輪轂靜平衡方法特點(diǎn)分析

（1）考慮消除測桿壓縮應(yīng)力影響并記錄各方位應(yīng)變情況，測桿上4個方向應(yīng)變片互成90°布置。

（2）根據(jù)輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將葉輪倒裝放置，使葉輪重心降低，提高自身穩(wěn)定性，同時液壓千斤頂支撐在大平面，使系統(tǒng)更可靠。

（3）輪轂是關(guān)鍵部件，需要防傾覆措施：由4個液壓千斤頂和4個等高支撐塊構(gòu)成，即便出現(xiàn)傾覆也能被等高支撐塊支撐。

（4）設(shè)計好測桿是保證平衡成功的關(guān)鍵，測桿直徑太大會影響應(yīng)力應(yīng)變的測量精度，太小無法支撐輪轂近16T重量。測桿應(yīng)選用高強(qiáng)度合金鋼并進(jìn)行無損檢測，并通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析設(shè)計，不斷調(diào)整優(yōu)化。

3.5 提高輪轂測桿法靜平衡精度的措施

如應(yīng)變片本身出廠誤差高，加上安裝、信號采集、轉(zhuǎn)換、計算等過程產(chǎn)生的誤差，整個靜平衡試驗(yàn)將積累很大的誤差，因此需從以下方面分析提高測量精度的方法：

（1）采用較高精度的應(yīng)變片（±0.02%fso），并由專業(yè)計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方驗(yàn)證。

（2）從粗平衡到精平衡需進(jìn)行若干次，應(yīng)變片反復(fù)使用，應(yīng)在配重塊固定前，頂起輪轂，使應(yīng)力棒不負(fù)重，減少殘余應(yīng)力。

（3）采用濾波信號處理，抑制和濾除高頻干擾信號，精確測量應(yīng)變信號。

（4）為減少溫度對測量影響，電路中增加溫敏電阻。

（5）信號采集/轉(zhuǎn)換裝置也應(yīng)有較高精度;

（6）正式測量前考慮模擬測試?yán)碚摲治觯瑴y桿法綜合精度可以達(dá)到±2.5%。

4 結(jié)論

通過對循泵輪轂靜平衡方法對比分析可知，測桿法結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)先進(jìn)，測量精度高，可行性高。測桿法的合理應(yīng)用，可以有效避免異形件輪轂的傾覆風(fēng)險，預(yù)計可取得較好的測量精度和經(jīng)濟(jì)性。鑒于測量裝置、應(yīng)變片的固有誤差，這一循泵輪轂靜平衡方法選用還有待核電廠長期運(yùn)行的檢驗(yàn)以進(jìn)行反饋優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備，北京：原子能出版社，2010.

[2]廖長城.AP1000循環(huán)水泵葉片角度調(diào)節(jié)原理及調(diào)試方法淺析，華電技術(shù)，2013，35（11）：58-63.