馮曉東 ，王 磊 ，雷宇升 ，朱 偉

（1.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150066；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“華龍一號(hào)”核電站主泵采用豎軸半傘式多軸承結(jié)構(gòu)，是核島內(nèi)一回路唯一的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，屬于高溫、高壓、受輻照的壓力邊界，相當(dāng)于反應(yīng)堆的心臟，為核安全一級(jí)、質(zhì)保一級(jí)、抗震Ⅰ類(lèi)設(shè)備，無(wú)備用配置，對(duì)可靠性要求極高，主泵運(yùn)行故障將直接導(dǎo)致核反應(yīng)堆停堆，甚至造成核安全事故［1-3］。為保障核電站設(shè)備安全運(yùn)行，國(guó)際組織和核電發(fā)達(dá)國(guó)家均制訂了核安全法規(guī)。1954年，美國(guó)制訂和頒布了原子能法，其核安全法規(guī)是聯(lián)邦第10篇10CFR（0-199）及核管會(huì)（NRC）頒布的管理導(dǎo)則。1974年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）制訂了NUSS計(jì)劃，其一系列核安全法規(guī)被世界各國(guó)認(rèn)可。1983年，法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)程協(xié)會(huì)（AFCEN）編制并出版了RCC系列法規(guī)。1986年，中國(guó)國(guó)家核安全局依據(jù)IAEA頒布的法規(guī)，制訂了相對(duì)應(yīng)的核安全法規(guī)（HAF0100～HAF0500）。1995年，俄羅斯制訂了聯(lián)邦原子能利用法，其核電法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系包括“原則和準(zhǔn)則”、“法規(guī)和法則”、“導(dǎo)則、指南和規(guī)則”3個(gè)層次。核級(jí)設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性依賴(lài)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成熟性和制造質(zhì)量。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程對(duì)零部件質(zhì)保等級(jí)和安全分級(jí)的劃分關(guān)系質(zhì)量的管控和造價(jià)成本。合理的分級(jí)既可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和安全性，又可以降低投入成本［4］。目前，核級(jí)設(shè)備零部件的劃分沒(méi)有詳實(shí)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，主要依賴(lài)于HAF法規(guī)的宏觀(guān)導(dǎo)向。我國(guó)一些學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有法規(guī)對(duì)核級(jí)設(shè)備的質(zhì)量和安全分級(jí)分別從劃分方法（確定論法和概率論法）、原則、實(shí)施等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。周新生［5］詳述了壓水堆核電廠(chǎng)核設(shè)備安全等級(jí)的劃分原則、確定和實(shí)施。李平等［6］針對(duì)嶺澳一期項(xiàng)目常規(guī)設(shè)備分級(jí)存在的問(wèn)題，給出了既能實(shí)現(xiàn)合理分配資源又具有較強(qiáng)可操作性的分級(jí)方法。沈偉［7］提出了機(jī)械設(shè)備安全分級(jí)與電氣設(shè)備安全分級(jí)、系統(tǒng)安全分級(jí)的關(guān)系。羅水云等［8］參考國(guó)內(nèi)自主依托化項(xiàng)目質(zhì)量保證分級(jí)方法，提出了后續(xù)AP1000項(xiàng)目質(zhì)量保證分級(jí)的方法。竺藝等［9］對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾家核電機(jī)型的機(jī)械、電氣和儀控的設(shè)備安全分級(jí)進(jìn)行了分析和比較，探討了幾種堆型設(shè)備安全分級(jí)的差異?？琢罱埽?0］提出了核級(jí)機(jī)械承壓設(shè)備鑒定的常用方法和基于鑒定結(jié)果的設(shè)備改進(jìn)措施。何雅潔［11］提出了使用模糊綜合評(píng)判法對(duì)核安全設(shè)備制造階段的零部件實(shí)施質(zhì)量保證分級(jí)的方法，得到更準(zhǔn)確合適的分級(jí)結(jié)果。上述學(xué)者的研究對(duì)核級(jí)設(shè)備的質(zhì)保分級(jí)和安全分級(jí)分別從不同的角度提出了更利于核電管理的方法，具有較高的參考價(jià)值。

核主泵是核電站主回路其中一種承壓設(shè)備，現(xiàn)行制訂的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了設(shè)備整體的質(zhì)保和安全等級(jí)，而未對(duì)組成設(shè)備的零部件的等級(jí)劃分提出具體細(xì)則。本文依據(jù)我國(guó)HAF法規(guī)和核電廠(chǎng)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合利用廣泛且較成熟的ASME核電規(guī)范，充分考慮核主泵零部件的功能性、復(fù)雜性、成熟性、利用率和造價(jià)成本，提出了“華龍一號(hào)”軸封式核主泵的質(zhì)保等級(jí)和安全分級(jí)的劃分原則，希望對(duì)同類(lèi)或近似的核級(jí)設(shè)備具有參考意義。

1 核主泵

“華龍一號(hào)”軸封式核主泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量23 790 m3/h，揚(yáng)程 95.5 m，轉(zhuǎn)速 1 485 r/min，設(shè)計(jì)溫度343 ℃。泵總高4 824 mm，主泵和電機(jī)總高8 950.5 mm，泵總重67 500 kg，主泵和電機(jī)總重119 500 kg。

本文介紹的“華龍一號(hào)”軸封式核主泵依據(jù)ASME核電建造規(guī)范設(shè)計(jì)，主要由承壓邊界（泵殼、密封室等部套）、功能部件（軸系、葉輪、軸密封等部套）、承載應(yīng)力部件（葉輪罩等部套）及其它部件組成，如圖1所示。

圖1 核主泵三維模型Fig.1 3D model of Reactor coolant pump

核主泵設(shè)計(jì)成豎軸半傘式三軸承軸流泵結(jié)構(gòu)［12］，葉輪旋轉(zhuǎn)將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成導(dǎo)葉體內(nèi)的壓力能。介質(zhì)在泵殼內(nèi)從垂直方向吸入偏轉(zhuǎn)到水平方向排出。泵由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與上電機(jī)支座連接，推力軸承安裝在上電機(jī)支座內(nèi)，電動(dòng)機(jī)與泵共用推力軸承，并設(shè)置止逆機(jī)構(gòu)防止反轉(zhuǎn)，中間軸將泵軸與電機(jī)軸固定連接在一起，主軸設(shè)置三級(jí)相同串聯(lián)的流體動(dòng)壓機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)密封回路［13］。軸密封之后裝有停車(chē)密封，在主泵停車(chē)或故障時(shí)氮?dú)夤苈诽峁┑獨(dú)忾_(kāi)啟停車(chē)密封起關(guān)閉作用。應(yīng)急管線(xiàn)與高壓冷卻器提供冷態(tài)密封注入水可以防止密封和水潤(rùn)滑下導(dǎo)軸承過(guò)熱［14］。油潤(rùn)滑雙向推力軸承承載系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的軸向力、旋轉(zhuǎn)部件的重力和葉輪產(chǎn)生的軸向推力［15-19］。徑向力由兩個(gè)油潤(rùn)滑和一個(gè)水潤(rùn)滑軸承承載。油供應(yīng)管路及滑油冷卻器為推力軸承提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需規(guī)定溫度的滑油。推力軸承下部安裝的油密封用于控制滑油的泄漏。

2 質(zhì)保等級(jí)的劃分原則

核主泵零部件質(zhì)保等級(jí)必須遵循IAEA 50-C/SG-Q（1996）、HAF0400《核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規(guī)范》及其導(dǎo)則《核電廠(chǎng)物項(xiàng)制造中的質(zhì)量保證》、GB/T 17569—1998《壓水堆核電廠(chǎng)物項(xiàng)分級(jí)》和買(mǎi)方設(shè)備規(guī)范書(shū)的要求進(jìn)行劃分，目的是加強(qiáng)零部件在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造和安裝過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)管，避免違規(guī)操作，保證產(chǎn)品滿(mǎn)足核電站安全運(yùn)行的要求。核主泵每個(gè)零部件的用途不同，制造廠(chǎng)根據(jù)使用功能、設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)、工藝成熟性、設(shè)備的復(fù)雜性、市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化程度等多種因素，將零部件的質(zhì)保等級(jí)劃分為QA1，QA2，QA3和QNC四個(gè)等級(jí)。QA1級(jí)需制定質(zhì)量保證大綱；QA2級(jí)需制定質(zhì)量保證程序；QA3級(jí)需遵守業(yè)主對(duì)供貨方總的要求與規(guī)定；QNC級(jí)不要求供應(yīng)商提供質(zhì)保大綱或程序，也不要求遵守業(yè)主對(duì)供貨方總的要求的規(guī)定。

2.1 質(zhì)保等級(jí)的定義

根據(jù)核主泵零部件的使用功能，在材料清單中對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)保等級(jí)規(guī)定，定義原則為：

（1）QA1級(jí)，按ASME規(guī)范設(shè)計(jì)：根據(jù)規(guī)范（NRC 1130）-NB/ND/NF設(shè)計(jì)的適用于承壓邊界的零件、連接QA1級(jí)零件的緊固件、用于與QA1級(jí)零件的連接頭、堆焊與密封焊縫、連接承壓邊界的支承件、在承壓邊界內(nèi)的輔助系統(tǒng)零部件、用于承壓邊界輔助系統(tǒng)零部件的支撐、冷卻水系統(tǒng)。

（2）QA2級(jí)，功能：適用于與安全相關(guān)的泵內(nèi)部件。

（3）QA3級(jí)，承載應(yīng)力：適用于泵內(nèi)部件、與承壓邊界相關(guān)的緊固件和墊片。

（4）QNC—與介質(zhì)接觸及其他：適用于與反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)或相關(guān)功能要求的泵內(nèi)部件；其它不屬于QA1-QA3的零部件。

2.2 質(zhì)保等級(jí)的劃分

2.2.1 QA1級(jí)

（1）承受大氣與系統(tǒng)介質(zhì)壓差的零部件及其支撐，如：泵殼、泵蓋、密封室、密封室蓋、密封前測(cè)溫件等。

（2）連接QA1級(jí)零件的緊固件，如：主螺栓、主螺母、密封室螺栓、密封室螺母。

（3）用于與QA1級(jí)零部件連接的管接頭、堆焊及密封焊縫。

（4）用于支撐核主泵電動(dòng)機(jī)的電機(jī)支座。

（5）合同規(guī)定的重要功能部件。

2.2.2 QA2級(jí)

（1）與主回路介質(zhì)接觸同時(shí)傳遞力或力矩的非承壓零件。

（2）不屬于承壓邊界的軸系部件。

（3）用于承壓邊界的軸密封/機(jī)械密封。

2.2.3 QA3級(jí)

（1）與介質(zhì)和相關(guān)應(yīng)力接觸的零件（不屬于QA1或QA2）。

（2）不屬于承壓邊界的軸系緊固件。

2.2.4 QNC級(jí)

（1）不屬于QA1～QA3級(jí)，且與介質(zhì)接觸或承擔(dān)相應(yīng)功能的泵內(nèi)部組件、小零件及標(biāo)準(zhǔn)件。

（2）其他未在規(guī)定范圍內(nèi)的零件。

2.3 計(jì)算驗(yàn)證

承壓邊界（QA1）的計(jì)算驗(yàn)證遵循ASME法規(guī)第Ⅲ卷第1冊(cè)NB分卷，共有A，B，C，D 4級(jí)。其他零部件（QA2～QNC）的計(jì)算驗(yàn)證遵循相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。用于確定承壓邊界零部件尺寸大小的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值Sm按照ASME法規(guī)第Ⅱ卷D篇材料表選取。除ASME材料之外的其它材料由單獨(dú)的材料規(guī)范指定，Sm值由ASME法規(guī)第Ⅱ卷D篇附錄2確定。適用材料加工工藝保證的最小值可用于確定Sm值。

2.3.1 QA1級(jí)零件的尺寸計(jì)算

按照ASME法規(guī)第Ⅲ卷第1冊(cè)NB，ND分卷（或NF分卷）計(jì)算尺寸，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下列負(fù)載限制，即：NB-3221設(shè)計(jì)載荷；NB-3222 A級(jí)使用限制（正常運(yùn)行條件）；NB-3223 B級(jí)使用限制；NB-3224 C級(jí)使用限制；NB-3225 D級(jí)使用限制；NB-3226試驗(yàn)限制；NF-3220對(duì)1級(jí)（支撐）按分析設(shè)計(jì)。

2.3.2 QA2級(jí)零件的尺寸計(jì)算

使用合同里規(guī)定的相關(guān)載荷，對(duì)可拆軸、聯(lián)軸器、下泵軸、葉輪的整體固定裝置進(jìn)行應(yīng)力、變形計(jì)算。

2.3.3 QA3級(jí)零件的尺寸計(jì)算

使用合同中規(guī)定的負(fù)載情況，通過(guò)計(jì)算所得的零件所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變來(lái)確定尺寸。

3 安全分級(jí)的劃分原則

根據(jù)《用于沸水堆、壓水堆和壓力管式反應(yīng)堆的安全功能和部件分級(jí)（HAD102/03）》，與核主泵相關(guān)的安全功能條目主要有防止發(fā)生不可接受的反應(yīng)性瞬變；按相關(guān)要求停反應(yīng)堆以防止預(yù)計(jì)運(yùn)行事件發(fā)展為事故工況和減輕事故工況的后果；在冷卻劑流失事故后，在必須采取停堆行動(dòng)才能使堆芯得到可接受的冷卻情況下，關(guān)停反應(yīng)堆；在所有運(yùn)行工況期間和之后，保持足夠的反應(yīng)堆冷卻劑量用以冷卻堆芯；保持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的完整性等。針對(duì)上述安全相關(guān)功能，核主泵的所有零部件的安全等級(jí)劃分必須遵循《壓水堆核電廠(chǎng)物項(xiàng)分級(jí)》（GB/T 17569—1998）的原則并兼顧設(shè)備規(guī)范書(shū)的要求，主要分為安全級(jí)和非安全級(jí)兩類(lèi)。安全級(jí)別的零部件主要指其損壞可直接或間接造成設(shè)備事故及具有防止或緩解事故功能的物項(xiàng)。安全級(jí)之外的其他零部件為非安全級(jí)，不會(huì)對(duì)核主泵產(chǎn)生事故影響。通常，將安全等級(jí)分為 SC1，SC2，SC3，NC 4 個(gè)等級(jí)。

3.1 安全分級(jí)的定義

核主泵材料清單詳細(xì)規(guī)定了對(duì)每個(gè)零件的安全分級(jí)，定義原則為：

（1）SC1級(jí)：按ASME規(guī)范第Ⅲ卷，第1冊(cè)，NB分卷，1級(jí)部件，適用于承壓邊界及相關(guān)連接件和支承。

（2）SC2級(jí)：按ASME規(guī)范第Ⅲ卷，第1冊(cè)，NC分卷，2級(jí)部件。

（3）SC3級(jí)：按ASME規(guī)范第Ⅲ卷，第1冊(cè)，ND分卷，3級(jí)部件，適用于與處理反應(yīng)堆冷卻劑的系統(tǒng)（如：WCC系統(tǒng)）相連接的設(shè)備。

（4）NC級(jí)：按ASME規(guī)范第Ⅷ卷。

3.2 安全等級(jí)的劃分

3.2.1 SC1級(jí)

（1）承壓邊界及與其連接的緊固件（見(jiàn)圖2）：泵殼、泵蓋、密封室、密封室蓋、密封前測(cè)溫件、主螺栓、主螺母、密封室螺栓、密封室螺母等。

圖2 承壓邊界Fig.2 Pressure-retaining boundary

（2）與承壓邊界連接的輔助管路及其支承（見(jiàn)圖3）：密封注入水系統(tǒng)、高壓泄漏管、低壓泄漏管、密封前測(cè)壓管、氮?dú)夤?、上述管路連接閥門(mén)、高壓冷卻器、旋液分離器等。

圖3 輔助管路及支承Fig.3 Auxiliary pipes and supports

（3）與承壓邊界連接的支撐件：上電機(jī)支座、下電機(jī)支座等。

（4）合同規(guī)定的重要功能部件：葉輪、導(dǎo)葉體、下泵軸、上半聯(lián)軸器、下半聯(lián)軸器、中間軸、支撐盤(pán)等。

3.2.2 SC2級(jí)

無(wú)設(shè)備劃為SC2級(jí)。

3.2.3 SC3級(jí)

WCC系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備：如：油冷卻器及其冷卻水管路。

3.2.4 NC級(jí)

（1）不屬于 SC1，SC2，SC3的零部件。

（2）與主回路介質(zhì)接觸并傳遞力或力矩的非承壓零件，如：葉輪螺栓、葉輪螺母、定心塊等。

（3）不屬于承壓邊界的軸系部件：如：導(dǎo)向鍵、定位銷(xiāo)、旋轉(zhuǎn)彈簧活塞、甩油環(huán)、推力盤(pán)等。

（4）用于承壓邊界的主軸密封，如：機(jī)械密封、密封套筒、導(dǎo)環(huán)、外環(huán)、節(jié)流管等。

（5）不屬于承壓邊界的軸系緊固件，如：縮腰螺栓、螺帽等。

（6）與介質(zhì)接觸或承擔(dān)相應(yīng)功能的泵內(nèi)部組件：水導(dǎo)軸承、上下隔熱體、上下支撐管、內(nèi)外折流管、碟簧、活塞環(huán)、檢修密封等。

（7）其它未在規(guī)定范圍內(nèi)的零件：推力軸承、標(biāo)準(zhǔn)件、測(cè)量元件、油泵及其支撐等。

4 質(zhì)保等級(jí)與安全等級(jí)的關(guān)系

質(zhì)保等級(jí)充分考慮了安全等級(jí)的要求，并結(jié)合零部件的復(fù)雜性和成熟性，對(duì)核主泵的設(shè)計(jì)、制造和安裝等不同階段提出的控制要求。安全等級(jí)主要是應(yīng)用確定論方法并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)那些安全上重要的并且損壞可能導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆或輻射污染提出的要求。兩者之間的著重點(diǎn)不一致。質(zhì)保等級(jí)本質(zhì)是保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命，而安全性則是著重部件是否執(zhí)行安全功能，并用來(lái)評(píng)估對(duì)事故造成的影響，安全級(jí)越高，造價(jià)成本也相對(duì)較高。通過(guò)前面概述的兩者的劃分原則對(duì)比，可以確定質(zhì)保等級(jí)不低于安全等級(jí)，如圖4所示。

圖4 質(zhì)保等級(jí)與安全等級(jí)的關(guān)系Fig.4 Relationship between QA and SC

5 結(jié)語(yǔ)

由于核主泵的復(fù)雜性，必須對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行質(zhì)保等級(jí)和安全分級(jí)的劃分，一是可以降低生產(chǎn)制造活動(dòng)的造價(jià)成本，二是可以適當(dāng)減少質(zhì)量保證活動(dòng)的管控所需的人力和物力。本文對(duì)核主泵零部件的質(zhì)保和安全等級(jí)提出了具體的劃分原則：

（1）根據(jù)ASME規(guī)范、零部件功能、承載應(yīng)力及與介質(zhì)接觸4個(gè)方面提出了質(zhì)保等級(jí)的定義原則。

（2）按照ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB，NC，ND分卷的要求提出安全分級(jí)的定義原則。

（3）對(duì)比質(zhì)保等級(jí)和安全分級(jí)的劃分原則，確定質(zhì)保等級(jí)不低于安全等級(jí)。