中廣核核電運(yùn)營有限公司 呂慶舉

輔助給水系統(tǒng)（ASG）作為核電廠重要專設(shè)安全系統(tǒng)之一，對核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。ASG 汽動泵超速試驗(yàn)作為核電廠高風(fēng)險活動之一，驗(yàn)證ASG 汽動泵可用性、保證ASG 汽動泵在發(fā)生異常狀況轉(zhuǎn)速飛升超出正常運(yùn)行范圍時能及時自動打閘停機(jī)，防止汽動泵超轉(zhuǎn)速飛車和泵出口管道超壓。試驗(yàn)中汽動泵出現(xiàn)飛錘拒動現(xiàn)象有導(dǎo)致泵組超速飛車的風(fēng)險，本文分析了導(dǎo)致該問題的原因并改進(jìn)。

1 系統(tǒng)及設(shè)備簡介

核電廠ASG 系統(tǒng)屬于專設(shè)核安全設(shè)施之一，設(shè)有2臺電動輔助給水泵，2臺汽動輔助給水泵。其主要安全作用是在主給水系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，ASG 系統(tǒng)作為應(yīng)急手段向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供水，排出堆芯余熱，直到堆芯余熱系統(tǒng)（RRA）允許投入運(yùn)行為止，或反應(yīng)堆正常啟停過程中特定模式時代替主給水系統(tǒng)向蒸汽發(fā)生器供水，導(dǎo)出堆芯余熱最終實(shí)現(xiàn)安全功能[1]。

ASG 汽動泵超速保護(hù)裝置設(shè)置有電磁超速保護(hù)和機(jī)械超速保護(hù)。機(jī)械超速保護(hù)裝置由離心飛錘、角接閥、打閘機(jī)構(gòu)等部件組成，超速定值范圍為9675～9850r/min，定值通過汽動泵超速試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)ASG 汽動泵轉(zhuǎn)速高于飛錘螺母設(shè)定值，飛錘在離心力作用下飛出軸面、打擊壓板，壓板脫出復(fù)位桿，角接閥密封面打開，破壞主汽門閥芯平衡力，閥芯活塞背部蒸汽沿汽側(cè)平衡管排放至大氣，主汽門失去閥芯背部平衡力，在蒸汽壓力面積差的作用下關(guān)閉，汽動泵停運(yùn)，機(jī)械脫扣示意圖如圖1所示。若超速試驗(yàn)不合格，需對飛錘的重心進(jìn)行調(diào)整[2]。

圖1 機(jī)械脫扣示意圖

2 原因分析及排查

在J 核電廠5號機(jī)組第1次大修（J501）熱態(tài)上行期間，執(zhí)行J5ASG004PO 汽動泵機(jī)械超速試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超速定值不合格，經(jīng)過11次調(diào)整仍無法合格，最終確認(rèn)轉(zhuǎn)速在8750～9930r/min 之間飛錘出現(xiàn)拒動現(xiàn)象，無法機(jī)械跳閘。通過在線更換廠家舊型號飛錘備件重新執(zhí)行機(jī)械超速試驗(yàn)，超速跳閘值為9820r/min，試驗(yàn)合格。

2.1 設(shè)計制造及安裝調(diào)試

拆卸J5ASG004PO 在役飛錘組件，發(fā)現(xiàn)飛錘封頭密封焊位置存在2個軸向?qū)ΨQ180°凹坑，根據(jù)廠家答復(fù)，凹坑為改進(jìn)型飛錘所增加的水槽，即屬于改進(jìn)型新產(chǎn)品（圖2）。經(jīng)查詢資料及咨詢廠家，舊型號飛錘與改進(jìn)型飛錘制造工藝及特點(diǎn)對比如下：

圖2 改進(jìn)型飛錘水槽開口位置

舊型號飛錘制造工藝：加工飛錘零部件、組裝、安裝O 形密封圈臨時封堵密封、試驗(yàn)臺進(jìn)行打擊試驗(yàn)，若打擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格進(jìn)行研磨封頭端面調(diào)整質(zhì)心直至試驗(yàn)合格、拆除臨時O 形圈、真空電子束焊接封頭、再次進(jìn)行打擊試驗(yàn)，驗(yàn)證動作值合格、產(chǎn)品交付；改進(jìn)型飛錘制造工藝：加工飛錘零部件、組裝、安裝O 型密封圈封堵密封、試驗(yàn)臺進(jìn)行打擊試驗(yàn)，若打擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格進(jìn)行研磨封頭端面調(diào)整質(zhì)心直至試驗(yàn)合格、鉚接封頭、產(chǎn)品交付。

兩者制造差異在于封頭密封形式不同，舊型號飛錘直接焊死密封，而改進(jìn)型飛錘采用O 形圈密封和鉚接防松。真空電子束焊接優(yōu)點(diǎn)在于密封牢靠、持久耐用、不使用焊條，缺點(diǎn)在于焊接合格率低，焊接過程易出現(xiàn)裂紋；O 形圈密封和鉚接防松工藝優(yōu)點(diǎn)在于制造工藝簡單、可操作性強(qiáng)、產(chǎn)品合格率高，缺點(diǎn)在于O 形圈易受外部環(huán)境和安裝條件影響導(dǎo)致其失效，且O 形圈為橡膠制品、壽命短，鉚接對技術(shù)人員技能要求高，易產(chǎn)生鉚接不牢固松動現(xiàn)象。從飛錘組件制造工藝及廠家澄清分析判斷，改進(jìn)型飛錘易受外部環(huán)境和安裝條件影響導(dǎo)致其失效；從設(shè)備部件重要性來講，飛錘是設(shè)備的核心部件，工藝的改進(jìn)忽略其密封持久性和產(chǎn)品壽命。

查詢J5ASG004PO 汽動泵制造完工報告及調(diào)試跟蹤報告，機(jī)械超速脫扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足要求，一次合格，未作調(diào)整：機(jī)械脫扣值9758r·min-1，電磁脫扣值9345r·min-1。

2.2 設(shè)備維護(hù)

該電廠5號機(jī)組商運(yùn)以來，J5ASG004PO 汽動泵已安全運(yùn)行一個燃料循環(huán)，運(yùn)行期間參數(shù)合格、未見異常。J501大修J5ASG004PO 汽動泵執(zhí)行預(yù)防性年檢、糾正性維修項(xiàng)目，不涉及飛錘組件解體及飛錘更換工作；在泵軸反饋擴(kuò)檢項(xiàng)目中，對飛錘進(jìn)行目視檢查未見異常。針對設(shè)備維護(hù)項(xiàng)目，主要從試驗(yàn)調(diào)整過程、飛錘整體拆檢情況、離線試驗(yàn)情況、飛錘內(nèi)部組件拆檢情況4個方面展開分析。

2.2.1 試驗(yàn)調(diào)整過程

在線執(zhí)行ASG 汽動泵機(jī)械超速試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械脫扣保護(hù)動作值是否滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如超出標(biāo)準(zhǔn)，打開中間水室蓋板在線調(diào)整飛錘，調(diào)整完成后重新執(zhí)行試驗(yàn)驗(yàn)證，反復(fù)執(zhí)行調(diào)整、驗(yàn)證，直至機(jī)械脫扣保護(hù)動作值滿足要求。根據(jù)首次啟泵驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合飛錘動作原理、飛錘調(diào)整量對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系，確定每次調(diào)整方案，現(xiàn)場實(shí)施調(diào)整。

J501大修J5ASG004PO 汽動泵共計執(zhí)行9次機(jī)械飛錘調(diào)整，前6次屬于機(jī)械超速試驗(yàn)飛錘正常工藝調(diào)整過程；后3次調(diào)整屬于機(jī)械飛錘故障查找做出的調(diào)整，從第7次和第8次調(diào)整后發(fā)現(xiàn)飛錘可調(diào)節(jié)量區(qū)間非常小，基本判定飛錘本身故障，通過第9次調(diào)整驗(yàn)證飛錘自身故障，故決策更換飛錘，共計執(zhí)行13次超速試驗(yàn)。其中0～9次飛錘在線調(diào)整的調(diào)整量（mm）、脫扣動作轉(zhuǎn)速（r·min-1）、調(diào)整方向分別為：NA、10050、NA；6、10120、順時針；5、9950、順時針；6、8240/8400、順時針；4.5、8750、逆時針；5.5、10140、逆時針；2.5、10220、順時針；3、8590、順時針；1、9930、逆時針；0.5、8590、順時針。J501大修J5ASG004PO 機(jī)械超速試驗(yàn)調(diào)整方案、調(diào)整過程、飛錘故障點(diǎn)確認(rèn)屬于合理正常過程，滿足規(guī)程要求。

2.2.2 飛錘組整體拆檢情況

在線對飛錘組件進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)飛錘本體、外彈簧和調(diào)整旋塞表面均存在許多粉末狀污垢，飛錘打擊頭部圓弧過渡處存在輕微磨痕（圖3）。對比測量新舊飛錘與固定旋塞配合直徑、與調(diào)整旋塞配合直徑，數(shù)據(jù)吻合度在加工偏差要求范圍之內(nèi)，重量幾乎一致；對比新舊飛錘外彈簧，尺寸一致；檢查彈簧垂直度良好，無偏斜和變形現(xiàn)象。飛錘外觀尺寸示意圖如圖4。新舊飛錘對比數(shù)據(jù)：調(diào)整端外徑A（mm）23.56/23.56、 固 定 端 外 徑B（mm）23.54/23.55、飛錘總長度L（mm）95.21/95.14、飛錘質(zhì)量（m/g）275.01/276.72、飛錘本體錐面最大跳動度0.01mm。

圖3 飛錘解體情況

圖4 飛錘外觀尺寸示意圖

從飛錘整體拆檢情況分析，粉末狀的污垢均在非配合區(qū)域，使用威第爾即可清理，飛錘頭部磨痕輕微，手摸無觸感，與飛錘頭部配合部位的固定旋塞為鉛青銅，比飛錘頭部材質(zhì)軟，故磨痕和污垢產(chǎn)生的阻力有限，對飛錘動作過程影響甚微。新飛錘回裝后動作正常，且新舊飛錘組件（含彈簧）尺寸均無異常，對比驗(yàn)證加工尺寸偏差對飛錘動作無影響，排除加工偏差影響。

2.2.3 離線試驗(yàn)情況

對舊飛錘與舊彈簧進(jìn)行打擊試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：飛錘在轉(zhuǎn)速大于9052r/min 且升速至試驗(yàn)臺變頻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速9900r/min 過程中，飛錘產(chǎn)生拒動現(xiàn)象（表1）。表1中“不跳”是指將轉(zhuǎn)速從0升高至試驗(yàn)臺最高轉(zhuǎn)速9900r/min 飛錘不動作，“-”是指飛錘打擊頭部低于泵軸表面。試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)趨勢現(xiàn)象與現(xiàn)場調(diào)整現(xiàn)象完全吻合，進(jìn)而證明飛錘已發(fā)生故障，導(dǎo)致在特定區(qū)間無法動作。

表1 飛錘試驗(yàn)臺離線數(shù)據(jù)

2.2.4 飛錘內(nèi)部組件拆檢情況

對飛錘封頭檢查發(fā)現(xiàn)，封頭沿圓周方向有輕微旋轉(zhuǎn)，說明水槽處鉚點(diǎn)松動，打磨鉚點(diǎn)、拆除封頭，發(fā)現(xiàn)飛錘內(nèi)部已進(jìn)水，在飛錘非打擊端封頭處進(jìn)水量約1.5g，飛錘內(nèi)彈簧輕微變形，向中間彎曲，封頭O 形密封圈表面存在輕微變形，其他部件檢查未見異常（圖5）。清理飛錘內(nèi)部進(jìn)水，更換新O 形密封圈，重新組裝飛錘并安裝在試驗(yàn)臺進(jìn)行打擊試驗(yàn)，飛錘能夠在9000r/min 以上跳閘，跳閘數(shù)據(jù)穩(wěn)定，打擊試驗(yàn)完成后再次解體飛錘，內(nèi)部未進(jìn)水，O 形密封圈密封良好，從而證明進(jìn)水是導(dǎo)致飛錘在9052r/min 以上無法動作的原因，排除內(nèi)彈簧彎曲的影響。舊飛錘重新組裝后3次試驗(yàn)的飛錘定位距離（mm）、試驗(yàn)臺跳閘轉(zhuǎn)速（r·min-1）分別為：-0.24、9236/9133/9232；-0.25、9280/9287；-0.31、9681/9685。從飛錘內(nèi)部組件拆檢情況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，進(jìn)水導(dǎo)致整體飛錘質(zhì)心無法越過泵軸軸線，打擊壓板，造成機(jī)械脫扣保護(hù)值多次調(diào)整不合格。

圖5 飛錘內(nèi)部解體情況

圖6 飛錘重心測量示意圖

結(jié)論：飛錘拒動的根本原因?yàn)閺S家改進(jìn)型飛錘制造工藝和密封形式的改進(jìn)方案存在不足，飛錘O形密封圈失效，導(dǎo)致飛錘內(nèi)部進(jìn)水。

3 處理措施及工藝改進(jìn)

處理措施：J5ASG004PO 在線更換舊型號飛錘，重新執(zhí)行汽動泵超速試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。同時根據(jù)反饋對內(nèi)部36臺泵組排查，確認(rèn)僅有J 電廠5、6號機(jī)組4臺泵組安裝有相同飛錘。J5號機(jī)組在首次大修期間已完成更換，J6號機(jī)組首次大修大修完成J6號機(jī)組2臺泵組更換，全部處理合格。

工藝改進(jìn)：通過對庫存飛錘備件進(jìn)行離線試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)庫存1個飛錘備件（94號）存在定值漂移，在飛錘頭部距離泵軸表面0.01mm 高度差時，飛錘超速定值在9933～9566r/min 間波動，最大波動值為367r/min，超出飛錘設(shè)計偏差175r/min 和最大容差值330r/min，其他另外2個飛錘備件無異常（表2）。對飛錘封頭進(jìn)行熔蠟檢查檢查工藝，將石蠟進(jìn)行加熱融化至液體狀態(tài)，將飛錘放入石蠟溶液中，觀察封頭焊縫是否有石蠟結(jié)晶，如有說明焊縫密封不嚴(yán)。

表2 庫存?zhèn)浼w錘離線試驗(yàn)結(jié)果

對已完成4個飛錘離線臺打擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)及與之對應(yīng)26組飛錘重心測量數(shù)據(jù)對比，累計執(zhí)行超速試驗(yàn)110次，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：飛錘重心定位尺寸變化0.01mm 對應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速變化量約60～80r/min；飛錘在試驗(yàn)臺初始安裝值與打擊完成后真實(shí)安裝值相差最大|r|≤0.03mm，且打擊后真實(shí)安裝值均小于初始安裝值；飛錘在試驗(yàn)臺和現(xiàn)場設(shè)備轉(zhuǎn)子上相同重心定位尺寸，試驗(yàn)臺跳閘值比現(xiàn)場跳閘值小300～400r/min。以上3點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的得出能夠?yàn)楝F(xiàn)場飛錘拆卸安裝、更換及調(diào)整提供寶貴經(jīng)驗(yàn)值，大大提高超速試驗(yàn)一次合格率。

通過檢修狀態(tài)下單一測量ΔL 的距離（ΔL=│A-B │)判斷飛錘重心的變化，通過收集多基地單臺泵某一大修該數(shù)值ΔL，且本次大修機(jī)械超速試驗(yàn)合格，可在下輪大修測量該數(shù)據(jù)ΔL 與上輪大修比對是否發(fā)生變化，若無變化機(jī)械超速試驗(yàn)合格（圖6）。推廣使用該工藝方法完成多基地各泵組合格超速定值對應(yīng)的飛錘定位尺寸收集，并繪制成標(biāo)準(zhǔn)對比表，在大修年檢或全檢窗口只需測量飛錘重心定位尺寸與此表比對，提前判斷超速試驗(yàn)定值合格與否，若是定位尺寸出現(xiàn)較大變化可按照歷史數(shù)據(jù)提前調(diào)整飛錘，避免超速試驗(yàn)窗口調(diào)整，耽誤關(guān)鍵路徑時間。

4 結(jié)語

J5號機(jī)組ASG 汽動泵飛錘拒動問題的處理及工藝改進(jìn)已應(yīng)用于群廠多基地同類型號泵組，該問題的處理從根本上避免了廠家對飛錘封頭密封形式設(shè)計存在的不足，提高了設(shè)備可靠性。同時維修工藝的改進(jìn)提高了維修效率，提前識別并檢驗(yàn)庫存?zhèn)浼欠窈细?，以及在檢修狀態(tài)下識別超速試驗(yàn)定值合格與否，大大提高了熱態(tài)超速試驗(yàn)一次合格率，節(jié)約大修關(guān)鍵路徑時間。