蔡龍,陳安,徐堅,薛林慧,龍云
(1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱 150060; 2. 大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 3. 四川科新機(jī)電股份有限公司,四川 德陽 618400; 4. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江212013)
反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡稱核主泵)的安全性、可靠性以及相關(guān)性能決定整個核電站的安全運(yùn)行.核主泵處在一回路壓力邊界內(nèi),是核安全一級、抗震Ⅰ類、質(zhì)保QA1級設(shè)備,無備用配置.三代核電站用核主泵的設(shè)計壽命為60 a[1-3].核主泵綜合性能試驗(yàn)是產(chǎn)品定型至關(guān)重要的依據(jù),同時也是產(chǎn)品泵出廠前檢驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)[4-5].因此,每臺核主泵出廠前必須要在模擬電站一回路系統(tǒng)的高溫高壓試驗(yàn)臺上驗(yàn)證其各項指標(biāo)[6].核主泵全流量高溫高壓試驗(yàn)臺應(yīng)滿足核主泵樣機(jī)及產(chǎn)品水力性能、工程運(yùn)轉(zhuǎn)特性、耐久特性等多項試驗(yàn)的測試要求[7].此外,核主泵的試驗(yàn)臺設(shè)計還應(yīng)滿足冷、熱工況使用條件,確保試驗(yàn)臺安全、可靠地工作.
高溫高壓試驗(yàn)臺主要包括主回路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等[8].試驗(yàn)臺系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備較多,因此設(shè)計初期采用三維設(shè)計進(jìn)行管道、閥門及平臺建模.建模后,試驗(yàn)臺具備三維可視化、設(shè)計可修改、后期可管理等功能.同時,利用軟件進(jìn)行干涉檢查,并出具材料清單(包括設(shè)備清單),統(tǒng)計管道長度、管件數(shù)量和種類、閥門數(shù)量和種類等,以方便采購,還可生成管道單線圖,用于現(xiàn)場安裝、調(diào)試期間的準(zhǔn)確定位[9].
諸多試驗(yàn)臺中,小型核主泵的試驗(yàn)臺國內(nèi)罕見,文中介紹的試驗(yàn)臺由哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司建造完成,關(guān)于此類試驗(yàn)臺建造技術(shù)的文件極少.因此,文中將設(shè)計技術(shù)和實(shí)施內(nèi)容結(jié)合,介紹高溫試驗(yàn)臺的設(shè)計和建造技術(shù).
高溫高壓核主泵試驗(yàn)臺主要由回路系統(tǒng)和測控系統(tǒng)2大部分組成.由于試驗(yàn)臺涉及高溫高壓的壓力管道和壓力容器,設(shè)計和建造期間受國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)局的監(jiān)管.試驗(yàn)臺在建造結(jié)束后由當(dāng)?shù)氐馁|(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)部門進(jìn)行現(xiàn)場打壓,打壓合格并取得《特種設(shè)備使用許可證》后,方可開展核主泵的試驗(yàn)工作[10].
本案例小型核主泵的參數(shù)中,主泵運(yùn)行壓力pm≤16 MPa,主泵運(yùn)行溫度Tm≤16 MPa,運(yùn)行流量為2 000~3 000 m3/h,運(yùn)行揚(yáng)程為15~40 m,冷、熱條件下運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別為2 898和2 916 r/min,冷、熱條件下額定功率分別為2 898和2 916 r/min,額定電壓為3 000 V;回路設(shè)計參數(shù)中,回路設(shè)計壓力prd≥17.2 MPa,回路設(shè)計溫度為350 ℃,工作流量為400~5 000 m3/h,運(yùn)行溫度Tr≤310 ℃,運(yùn)行壓力pr≤16 MPa,主回路管道內(nèi)徑為400 mm.
回路系統(tǒng)主要由主回路、壓力調(diào)節(jié)回路、充水回路、陪試回路、主回路冷卻回路、試驗(yàn)泵冷卻回路、汽蝕回路、排放系統(tǒng)、造水裝置、外部供水系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)以及支撐平臺等幾個部分組成.試驗(yàn)主回路系統(tǒng)如圖1所示.試驗(yàn)臺的管道工藝流程(piping and instruments diagram, PID)如圖2所示.
圖1 核主泵試驗(yàn)臺
圖2 試驗(yàn)臺的管道工藝流程圖
1) 主回路.主回路主要由試驗(yàn)泵、電動調(diào)節(jié)閥、陶瓷電加熱器、安全閥、主回路管道、管路支吊架、連接法蘭以及相應(yīng)的溫度、壓力、壓差(揚(yáng)程)和流量測量儀表等組成.主回路設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥,用于調(diào)節(jié)流量.回路上設(shè)置高點(diǎn)排氣和低點(diǎn)排水閥門.安全閥實(shí)現(xiàn)回路壓力保護(hù)功能.陶瓷電加熱器安裝在主回路外管壁上.試驗(yàn)泵安裝在主泵剛性支承上,通過法蘭與主回路管道連接.試驗(yàn)泵入口水平管道設(shè)置1臺文丘里流量計,采用法蘭連接方式與主管道連接.主回路設(shè)置相應(yīng)的保溫層,保溫層的設(shè)置需兼顧保溫要求和后續(xù)系統(tǒng)維修保養(yǎng)要求.
2) 壓力控制回路.壓力控制回路主要由穩(wěn)壓器、安全閥以及相應(yīng)的溫度、壓力和水位測量儀表等組成,以保證系統(tǒng)運(yùn)行時回路壓力的穩(wěn)定.穩(wěn)壓系統(tǒng)可保證主回路系統(tǒng)在測試主泵時所需的壓力參數(shù),回路系統(tǒng)運(yùn)行時,穩(wěn)壓器的壓力和水位信號與加壓泵和穩(wěn)壓器電加熱元件聯(lián)鎖,保證回路系統(tǒng)的壓力處于正常范圍.
3) 充水回路.充水回路主要由加壓泵、貯存水箱、過濾器、管道、閥門及儀表等組成,用于向主回路充水、補(bǔ)水,并給系統(tǒng)壓力試驗(yàn)打壓.在試驗(yàn)開始前,通過充水系統(tǒng)向回路系統(tǒng)充水,充水完成后,貯存水箱內(nèi)的液位應(yīng)處于正常值,以滿足試驗(yàn)期間的補(bǔ)水需求.
4) 陪試回路.陪試回路主要由陪試泵、陪試回路、調(diào)節(jié)閥、隔離閥、流量計及測溫、測壓儀表等組成,用于完成試驗(yàn)泵的反向流量試驗(yàn).陪試回路和試驗(yàn)泵出入口相連,陪試回路上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥,用于調(diào)節(jié)流量.
5) 主回路冷卻回路.主回路冷卻回路主要由主回路冷卻器、電動調(diào)節(jié)閥、管道、閥門以及相應(yīng)的儀表組成,用于試驗(yàn)臺架回路系統(tǒng)降溫降壓及運(yùn)行過程中的溫度控制等.
6) 試驗(yàn)泵冷卻回路.試驗(yàn)泵冷卻回路主要由冷卻水泵、管道、閥門及測量儀表等組成,用于向試驗(yàn)泵、陪試泵提供冷卻水.主回路降溫降壓時,由1個設(shè)冷泵向主冷卻器提供所需的冷卻水,當(dāng)試驗(yàn)泵處于運(yùn)行狀態(tài),冷卻循環(huán)水系統(tǒng)斷流或意外斷電時,可以通過開啟自來水閥門,利用自來水向試驗(yàn)泵和陪試泵提供冷卻水,保證主泵和陪試泵安全運(yùn)行.
7) 汽蝕回路.汽蝕回路設(shè)有壓縮空氣罐及真空泵.根據(jù)試驗(yàn)的需求,采用壓縮空氣罐升降壓或利用真空泵實(shí)現(xiàn)負(fù)壓,從而滿足汽蝕試驗(yàn)的需求.
8) 排放系統(tǒng).排放系統(tǒng)設(shè)置在陪試回路上,設(shè)置了2條排水回路,可以滿足不同的排水需求.主回路上設(shè)置了一個排水回路,用于主回路的清洗,排出主回路的異物.
9) 支撐平臺.支撐平臺由回路支撐平臺、試驗(yàn)泵支撐平臺以及陪試泵支撐平臺組成,用于各種設(shè)備的支撐和設(shè)備安裝、維修和調(diào)節(jié).
10) 部分關(guān)鍵自制設(shè)備.主泵泵殼屬于形狀極不規(guī)整的承壓邊界,泵殼采用S30408材料整體鑄造,整體機(jī)械加工成型,采用多種清洗方法清潔泵殼內(nèi)表面,以確保泵殼表面清潔度.
穩(wěn)壓器為鍛焊容器,采用氬弧焊+自動焊方式焊接穩(wěn)壓器各焊接接頭,并進(jìn)行100%RT檢測,檢測等級達(dá)Ⅱ級以上為合格.
主回路冷卻器高壓部分為鍛焊容器,制造方法同穩(wěn)壓器,管子管板間接頭采用自動焊焊接,確保接頭質(zhì)量.
測控系統(tǒng)主要由過程測量系統(tǒng)和檢測操控系統(tǒng)2大部分構(gòu)成,包含過程測量儀表、數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備、運(yùn)行監(jiān)控與試驗(yàn)操作設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備和廣播通信設(shè)備等,如圖3所示.
圖3 儀表與控制系統(tǒng)圖
1) 過程測量儀表.過程測量儀表用于溫度、壓力、流量和液位等過程參數(shù)的測量,其中主要的測量儀表均采用了高精度設(shè)備.比如,文丘里流量測量精度為±0.5%,流量為350~3 500 m3/h,設(shè)計溫度為350 ℃,設(shè)計壓力為17.2 MPa;孔板流量計測量精度為±1.0%,流量為200~1 500 m3/h,設(shè)計溫度為350 ℃,設(shè)計壓力為17.2 MPa;壓力變送器測量精度為±0.01%,測量范圍為0~25 MPa;溫度變送器測量精度為A級,測量范圍為0~400 ℃,響應(yīng)時間為10 s,防護(hù)等級為IP55.
2) 數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備.數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)、采集與控制,包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端和主控制設(shè)備,分別為主控制柜和現(xiàn)場終端柜.
3) 運(yùn)行監(jiān)控與試驗(yàn)操作設(shè)備.運(yùn)行監(jiān)控與試驗(yàn)操作設(shè)備主要用于試驗(yàn)臺架的監(jiān)控和試驗(yàn)操作,由臺架監(jiān)控計算機(jī)、試驗(yàn)操作計算機(jī)、備份計算機(jī)、報警光字牌和急停按鈕組成.
4) 數(shù)據(jù)通信設(shè)備.數(shù)據(jù)通信設(shè)備用于整個儀表與控制系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換,包含1臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),并設(shè)置有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入,具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能.
5) 視頻監(jiān)控設(shè)備.視頻監(jiān)控設(shè)備主要由監(jiān)控攝像機(jī)和視頻監(jiān)控計算機(jī)組成.
試驗(yàn)臺按GB/T 3216—2016 1級泵要求進(jìn)行設(shè)計[11],并按要求布置流量、揚(yáng)程、溫度、壓力、功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測點(diǎn),通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各個實(shí)測參數(shù)傳回計算機(jī),通過數(shù)據(jù)分析控制軟件分析各個數(shù)據(jù)并實(shí)施系統(tǒng)控制,記錄相關(guān)數(shù)據(jù),形成性能曲線.選用的各測量元件精度均遠(yuǎn)高于1級泵測量要求,按GB/T 3216—2016中系統(tǒng)不確定度分析方法分析計算所測得的各參數(shù),并形成不確定度報告.
按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),在試驗(yàn)臺相應(yīng)的位置處設(shè)置有壓力變送器、溫度變送器、壓力脈動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和功率分析儀等測量儀器、儀表.為了適應(yīng)高溫高壓工況下的流量測量,選用的流量計為文丘里流量計.
所有儀表與中控系統(tǒng)間的連接線均采用屏蔽線,用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,并且傳輸距離最長可達(dá)30 m,且能有效屏蔽外界干擾,同時確保信號傳輸精度.通過輔助系統(tǒng)向主回路注水后,對回路進(jìn)行冷態(tài)升壓至2.5 MPa,進(jìn)行相關(guān)冷態(tài)參數(shù)驗(yàn)證后,再開啟加熱裝置對回路進(jìn)行升壓、升溫,直至達(dá)到壓力為15 MPa、溫度為286.5 ℃,滿足核主泵運(yùn)行所需的額定工況.升溫過程中通過控制穩(wěn)壓系統(tǒng)水位即可有效控制回路壓力波動處于試驗(yàn)允許范圍內(nèi),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在20~320 ℃,0~16 MPa任意工況液態(tài)水介質(zhì)的相關(guān)性能試驗(yàn)驗(yàn)證.由于水的密度隨溫度升高而不斷降低,因此為確保流量測定的準(zhǔn)確性,通過計算機(jī)實(shí)時更新對應(yīng)壓力和溫度下的水密度值.
試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動化分布式控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定要求全自動控制、監(jiān)測和曲線記錄功能,在試驗(yàn)期間,也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行人工干預(yù).試驗(yàn)回路的控制系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集、模擬量控制和順序控制,包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視、PID調(diào)節(jié)和各種復(fù)雜調(diào)節(jié),也能進(jìn)行各種閥門的開關(guān)和各種泵的啟停等順序控制,還可實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及聯(lián)鎖保護(hù)等.此外,該系統(tǒng)能完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型建立、性能計算和曲線擬合處理等,最終生成試驗(yàn)報告,一次完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和性能曲線的打印輸出.
選擇我院接受的進(jìn)行超聲檢查的300例甲狀腺結(jié)節(jié)患者作為案例,對患者采用本院現(xiàn)有的超聲量化分級系統(tǒng)實(shí)施診斷和評估。本次研究的研究案例均符合要求,經(jīng)過病理診斷后具備知情權(quán),簽署知情同意書。
高溫高壓試驗(yàn)臺設(shè)計時應(yīng)考慮常溫20 ℃到熱態(tài)320 ℃回路升溫時管道部分熱膨脹引起的位移,并需兼顧核主泵運(yùn)轉(zhuǎn)時流動的介質(zhì)以及試驗(yàn)臺的共振對設(shè)備的影響等.這些都與回路及設(shè)備的安全運(yùn)行密切相關(guān).
通過ANSYS軟件進(jìn)行回路部分固有振動特性分析,分析模型如圖4所示.由于主回路對核主泵的影響最大,對主回路、主泵殼以及主泵殼支撐部分進(jìn)行計算.約束邊界定為核主泵泵殼支架底部為固定,主回路底部支撐(除尾部支撐外)均為彈性支撐,其余支撐均為滑動支點(diǎn).
圖4 試驗(yàn)臺有限元模型圖
模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一階模態(tài)包括特定的固有頻率和振型,振型圖表示在某一階固有頻率下的振動幅值.考慮了水對管路系統(tǒng)的附加質(zhì)量對振動特性的影響,計算濕模態(tài).試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)動頻率為50 Hz,對50 Hz附近的固有頻率進(jìn)行了提取,結(jié)果如表1所示,表中N為階數(shù),fs為固有頻率.
表1 試驗(yàn)臺架濕模態(tài)固有頻率數(shù)據(jù)
圖5為試驗(yàn)臺架在48.186 Hz時振動云圖,圖中s為振動位移.從圖中可以看出,50 Hz附近固有頻率fs均位于離試驗(yàn)泵支撐較遠(yuǎn)的位置(以48.186 Hz為例,振動位置位于主回路的豎直管段,如圖5所示),對試驗(yàn)泵的運(yùn)行不會產(chǎn)生影響.
圖5 試驗(yàn)臺架振動云圖(48.186 Hz)
核主泵運(yùn)轉(zhuǎn)時,當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)管道時會對回路部分施加交替的流體力,使得試驗(yàn)回路發(fā)生往復(fù)運(yùn)動,而試驗(yàn)臺的往復(fù)運(yùn)動又改變了流體流態(tài),進(jìn)而使作用于試驗(yàn)回路的流體力發(fā)生改變,介質(zhì)與試驗(yàn)回路相互作用引起流致振動.
流致振動響應(yīng)分析位置測點(diǎn)如圖5所示.通過開展流致振動分析獲得不同工況下管路系統(tǒng)的振動響應(yīng)譜線.計算分析時選取3個重要的流量工況(1 500 ,2 500 ,3 000 m3/h)點(diǎn)對整個試驗(yàn)臺進(jìn)行了分析.圖6為在額定工況Q=2 500 m3/h時試驗(yàn)臺的位移頻譜,圖中s為位移.通過分析流致振動對試驗(yàn)臺及核主泵的影響,采用加固等方式避開振動的影響.
圖6 Q=2 500 m3/h時位移頻譜圖
流量的變化主要影響結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的幅值,對響應(yīng)譜線的趨勢及峰值點(diǎn)對應(yīng)頻率影響不大.頻譜曲線中峰值點(diǎn)處頻率值對應(yīng)于管路系統(tǒng)的固有頻率.除固有頻率及其附近頻域處外,隨著頻率的增加,振動位移的幅值不斷變小.
試驗(yàn)臺按設(shè)計建造完成后,在相應(yīng)位置處設(shè)置了位移監(jiān)測標(biāo)尺,在回路底部采用彈性支撐,上管段采用滑動支撐,回路在熱應(yīng)力的驅(qū)使下,均朝預(yù)期方向發(fā)生了相應(yīng)位移,位移量與理論計算基本一致.
高溫高壓核主泵試驗(yàn)回路系統(tǒng)在設(shè)計過程中雖然已經(jīng)考慮了多方面的因素,但是在運(yùn)行過程中還可能因一些突發(fā)狀況而失效,可能存在的主要失效模式、原因及預(yù)防措施有以下幾個方面:
1) 脆性斷裂失效.一般當(dāng)使用溫度低于材料的無延性轉(zhuǎn)變溫度,材料發(fā)生脆性斷裂,或結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷,設(shè)備會在低應(yīng)力下發(fā)生低應(yīng)力脆斷.為了避免這種情況的發(fā)生,在材料選用時,要綜合考慮材料的韌性、制造和檢驗(yàn)要求以及結(jié)構(gòu)形式等方面,防止脆性斷裂失效發(fā)生.
2) 韌性斷裂失效.由于殼體材料經(jīng)歷彈性變形、塑性變形,隨著應(yīng)力和應(yīng)變的繼續(xù)增大,材料積累足夠大的塑性變形后出現(xiàn)韌性斷裂.通過提高材料選用要求,改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計方法、許用應(yīng)力規(guī)定等,防止韌性斷裂的發(fā)生.
3) 接頭泄漏失效.由于接管法蘭變形、墊片失效、密封面失效等原因可能會導(dǎo)致接管法蘭、透鏡墊兩側(cè)泄漏.為了避免這種泄漏情況的發(fā)生,應(yīng)選擇合適壓力級別的法蘭、密封面及密封件,并根據(jù)使用工況配上相應(yīng)級別的螺栓、螺母.
4) 彈性或塑性失穩(wěn).材料只要具有彈性或塑性,就存在局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的隱患,所以為了避免這種情況發(fā)生,設(shè)備應(yīng)通過GB 150.3—2011標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的計算,管道都要通過GB 20801—2016標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的計算.
5) 均勻腐蝕失效(腐蝕減薄).任何介質(zhì)都具有不同程度的腐蝕性,導(dǎo)致主要受壓元件隨著使用年限的增加逐漸變薄,最終厚度不滿足強(qiáng)度要求,導(dǎo)致失效.另外,由于外表面在大氣中的均勻腐蝕,導(dǎo)致殼壁減薄.考慮設(shè)備在設(shè)計使用年限內(nèi)介質(zhì)對鋼材的均勻腐蝕量,可選擇奧氏體不銹鋼材料,從而避免腐蝕失效.
通過該試驗(yàn)臺完成了小型反應(yīng)堆核主泵相關(guān)的驗(yàn)證性試驗(yàn).試驗(yàn)項目包括:機(jī)組水壓試驗(yàn),主泵冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)(如圖7所示),主泵機(jī)組軸承跑合試驗(yàn),升降溫試驗(yàn),實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷下電動機(jī)溫升測定,主泵機(jī)組振動、噪聲測定,壓力脈動測量,冷卻水?dāng)嗍г囼?yàn),冷卻水調(diào)整試驗(yàn),電源及冷卻水?dāng)嗍г囼?yàn),機(jī)組啟、停機(jī)試驗(yàn),50次在役循環(huán)試驗(yàn),500 h熱態(tài)運(yùn)行試驗(yàn),80%低電壓啟動試驗(yàn),冷、熱態(tài)汽蝕試驗(yàn),反向流量作用下的80%電壓啟動試驗(yàn),倒流量沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)等.試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)均符合預(yù)期的設(shè)計要求,試驗(yàn)臺高溫、高壓狀態(tài)下長期運(yùn)行可靠,穩(wěn)定數(shù)據(jù)輸出可信.
圖7 試驗(yàn)泵性能曲線
1) 總結(jié)了高溫高壓核主泵全流量試驗(yàn)臺設(shè)計方法.該試驗(yàn)臺不僅滿足三代核主泵各項性能測試,根據(jù)試驗(yàn)?zāi)芰Ψ秶?,對于其他類型核主泵或非核電泵,在主回路和測量控制系統(tǒng)不改變的情況下,僅需把泵殼區(qū)域更換為適用于不同試驗(yàn)泵的結(jié)構(gòu)連接管路便可完成不同溫度和不同壓力工況下的試驗(yàn)驗(yàn)證.
2) 通過試驗(yàn)臺的建造、調(diào)試及試驗(yàn)泵安裝后的冷、熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn),均滿足設(shè)計所有預(yù)期的技術(shù)指標(biāo).試驗(yàn)結(jié)果滿足核級泵性能測試所需的所有項目測量要求,且符合GB/T 3216—2016標(biāo)準(zhǔn)的1級標(biāo)準(zhǔn).