摘要：主泵中转子组件是唯一旋转部件，其中推力盘和飞轮的间隙控制关系着转子组件的质量和寿命。本文结合三门核电主泵型式试验中飞轮与推力盘在几个阶段出现的间隙超差的质量问题进行了分析，就出现问题的部件结构、装配、质量检查等提出了建设性意见，为后续国产化提供借鉴。
关键词：主泵 推力盘 飞轮 质量监督
Abstract：the rotor of pump is only rolling part，gap of flywheel and thrust plate concerns the quality and life of pump rotor. The paper bases on the status of the gap of flywheel and thrust plate in pump’s different phase of prototype test，put forward suggestions for improvement quality surveillance meth，and provides reference for subsequent localization.
Key words：Reactor Coolant Pump；Thrust Plate；Flywheel；Quality Surveillance
一、序言
主泵是核电机组的心脏设备，其安全性、可靠性、先进性是确保核电站安全稳定经济运行的关键。反应堆冷却剂泵是核电机组的心脏设备，是核岛内唯一的一个旋转机械设备，其安全性和可靠性是确保核电站安全稳定经济运行的关键。[1]转子组件又是主泵电机的唯一旋转部件，通过主轴的旋转来实现能量的转化，带动叶轮做功。三门核电的屏蔽泵飞轮增加了转动惯量，采用了全新的结构，几乎所有的项目（包括飞轮与包壳热套和焊接装配、推力盘等制造工艺，轴承性能等）都必须进行试验验证。本文重点选取了推力盘与飞轮间隙问题进行研究，并对推力盘与飞轮安装和质量监督措施提出建议。
二、主泵的结构特点
三门核电主泵是单级、全密封、高转动惯量、屏蔽式电机的离心泵。主泵的整个转子组件（包括水力部件和电机转子）由位于电机两端的径向轴承和下部的双向推力轴承支承，轴承由一回路水润滑和冷却。主泵在其承压壳体内包容了电机和所有转子组件，承压壳体主要包括泵壳、热屏、定子壳体和定子端盖等，承受反应堆冷却剂系统的全压力。电机定子和转子的内部、外部分别包覆着防腐的屏蔽套，避免了定子绕组和转子与反应堆冷却剂接触。由于叶轮和转子轴是被包容在压力边界内，因此不需考虑常规轴封主泵中的轴密封泄漏。三门核电主泵结构见图1。
图1 三门核电主泵结构图
三门核电主泵除了具有屏蔽泵的零泄漏、安全性高、结构紧凑、运行可靠、维护工作量少等优点外，还有其独到之处：
（1）首次采用主泵直接悬吊在蒸汽发生器下，取消了主泵与蒸发器之间的过渡段管道，降低了环路压降，简化了泵的支撑；
（2）首次在屏蔽泵中采用飞轮结构，同时消除了飞轮破裂引起的飞射物损坏安全壳内其他设备的可能性；
（3）首次采用大型高压变频装置，电机电源与变频器相连，在一定范围内主泵转速是可调的，这种设计不仅有利于减少启动前的电力消耗，而且可以改善电机的启动性能，降低电机启动对设备寿命的消耗。
三、飞轮与推力盘间隙问题的分析和质量监督措施
轴承及飞轮是构成主泵转子组件的重要组成部分。轴承为水润滑轴承，为转子组件提供支承；主泵有上下两个飞轮，热屏下方的上部飞轮和转子线圈下面的上部飞轮。下面简要介绍飞轮和轴承的结构特点。
3.1飞轮的结构及特点
每台主泵上有两个飞轮，上飞轮的高度（394mm）比下飞轮更大（266mm）。飞轮内部包含有高密度钨合金块，因此重量较大（上飞轮为3.18吨，下飞轮为2.18吨），保证了三门核电主泵的高转动惯量，从而保证了惰转情况下的冷却剂流量满足设计要求。
上、下飞轮的结构如图2，每个飞轮内部包含12 个扇形的钨合金块（材料为ASTM B777），钨合金块的内侧开有凹槽，正好可以与轮毂外缘面上的凸起相配合。在钨合金块装配至轮毂上之后，再进行紧固环的热套装配，通过过盈配合实现对钨合金块的固定。在飞轮的上、下端还焊有盖板，最外侧焊有一层外壳，盖板和外壳都是由Inconel 625 合金材料制成，可以使钨合金块和紧固环与主冷却剂隔离开。此外，每一个飞轮还需要进行动平衡试验以及125%额定转速下的超速试验，以验证设计工况下飞轮组件的完整性。[2]
图2 三门核电主泵飞轮结构示意图
3.2轴承组件的结构及特点
主泵中包含有上、下推力轴承和上、下径向轴承。其中上、下推力轴承分别位于下部飞轮的上、下两侧；下部径向轴承位于上部推力轴承的上侧，两者连为一体；上部径向轴承位于上部飞轮的下端。推力轴承与径向轴承的结构如图3（以下部径向轴承和推力轴承为例）。每个推力轴承有6个瓦块，每个径向轴承有4个瓦块，轴承瓦块的材料为碳石墨，瓦块后端连有平衡板，一起安装在不锈钢瓦托内，轴承最外侧为轴承套筒。上、下部推力轴承分别位于下部飞轮的上、下两侧，瓦块分别与推力盘的工作面接触。轴承采用水润滑方式，泵运行时，轴和轴承之间就会形成润滑和冷却作用的水膜，避免轴和轴承磨损。轴承通过电机内的冷却回路冷却，使轴承温度保持在80℃以下，保证轴承的使用寿命。轴承作为屏蔽电机主泵中的关键部件之一，其性能参数关系到整个电站一回路的正常运行。
图3 三门核电主泵轴承组件结构示意图
推力轴承的工作原理如图4所示。正常运行时，轴向载荷通过推力盘依次传递到瓦块、平衡板、基础支承环。与每个瓦块直接接触的是正向平衡板（上部平衡板），它们之间通过球面相接触，6个正向平衡板和6个反向平衡板（下部平衡板）错位布置、首尾相搭接，相互传递力矩。[2]
图4 三门核电主泵下部推力轴承工作原理示意图
3.3 飞轮与轴承间隙问题和质量监督措施
在主泵各组、部件加工完后，按设计要求需进行回路试验，对泵的各项参数及性能指标进行验证，例如：惰转试验就是主泵在60Hz额定工况运行后停泵，测量并记录从停泵到主泵停止转动的流量与惰转时间的关系，从而验证主泵飞轮、叶轮以及泵轴等组成的转子组件的转动惯量产生的非能动惰转能量使回路流量衰减是否满足要求。尤其是三门核电的飞轮与轴承的装配质量直接关系着各项实验的数据。
在装配阶段，下部转子组件中，下飞轮、上下推力盘加工及分组件加工完成后，制造厂进行相关的零部件几何尺寸检查，均能满足设计要求；在随后的整体组装完成后再次进行相关尺寸检查、飞轮及推力盘之间的间隙检测，也能满足设计要求。但是经过一周的主泵本体产品试验之后，根据设计要求对各组部件进行拆解过程中发现了部分间隙超差的质量问题。（表1）
表1 飞轮、推力盘间隙检查表
制造厂在第一台泵试验后没有进行间隙检查，组装后出现有间隙的情况，之后对工艺文件进行完善，要求试验后拆解前也对间隙进行检查。经过分析，4台主泵（一个机组）出现间隙问题的原因主要是主泵试验中受力不均导致推力盘和轴承之间产生了磨损，受力不均主要和轴承的装配精度、推力盘的加工精度、主泵轴的装配垂直度以及飞轮的动平衡量等因素有关。由于4台主泵的间隙了呈现出不规则性，导致判断在装配阶段中哪个因素造成间隙出现十分困难。制造厂采取了对出现间隙超标的几个泵的推力盘和轴承的工作面机加工的方法，从而解决了该质量问题，但是问题的处理让现场质量监督人员更细致的了解了后续应该关注和加强的质量监督控制措施。
1）主泵对于部件之间的装配精度要求很高（如飞轮、推力盘装配至转子轴的轴向尺寸偏差要求都仅为0.025mm），另外，三门核电主泵部件的尺寸公差要求也非常小，如推力盘的平面度公差要求为0.013mm，定子铁芯内径的跳动值公差要求为0.2mm；转子轴的跳动值公差要求为0.15mm等。为了满足如此高的尺寸公差，不但要求使用精度较高的机械加工设备和测量设备（如三坐标测量仪CMM），更要求在机械加工过程和尺寸测量中严格执行相关程序和质保要求。所以，在装配阶段的检查是质量监督的重点，尤其是装配前零部件的加工尺寸一定满足零部件的图纸要求，而且注意上下偏差的匹配，例如：当上推力盘的工作面尺寸检查中的下偏差尽量与上飞轮上工作面的上偏差进行匹配，这样能够使得工作面贴合的更加紧密。
2）主泵部件的装配以及最后泵的总装过程中都大量使用了热套装配的方法（例如：推力盘与转子轴的装配、飞轮紧固环的装配等），这种方法很容易实现部件之间的过盈配合，但对部件加热温度的控制（温度过高会影响材料性能）以及装配的时间（时间过长会导致温度下降过多）是质量监督的重点。例如推力盘装配至转子轴上时，要求温度必须控制在149℃±14℃，如果装配时间过长（一般控制在4分钟），则部件温度就会下降过多从而导致不满足设计要求。所以，对于这种热套装配的质量控制重点在于加热后完成装配的时间监督。
3）在飞轮制造的质量监督过程中，要重点关注飞轮的超速试验（包括超速试验后紧固环外表面的PT检查，关系到飞轮组件的完整性）、动平衡试验以及氦检漏试验，尤其是根据主泵失水试验出现轴承磨损严重的质量问题，需要重点对飞轮工作面的加工尺寸的检查（平面度等），这种配合尺寸常常是容易忽略的地方。
4）对于轴承组件，在设备监造中需要重点关注采购件的相关文件审查；根据前期主泵发生的推力轴承的平衡板之间以及上部平衡板、轴瓦支撑区域之间的磨损较为严重的质量问题，质量监督需要重点关注重点瓦块表面的平整度和光洁度检查；推力盘工作面的平面度检查、硬度检测和PT检测。
结论
转子组件是三门核电主泵中的关键部件，飞轮与轴承是转子组件中的关键，其装配精度直接关系着主泵实验的各项数据。所以，对于三门核电主泵部件的装配，在进行质量监督的过程中，要关注图纸中是否对装配尺寸的测量要求，零部件之间的匹配关系；对于热套装配，还需要重点检查温度测量的有效性、升温保温是否满足要求。本文通过对飞轮轴承装配间隙问题的分析，提出了后续质量监督工作的主要关注点。这为实现主泵国产化制造提供了有益的参考。
参考文献：
[1] 林诚格，郁祖盛，欧阳予，非能动安全先进核电厂三门核电 北京：原子能出版社，2008
[2] 顾健等 三门核电主泵制造工艺及监造 科技创新与应用 2015（17）3；
作者简介：徐连锋 ，1983-4 ，研究生 ，工程师 ，三门核电有限公司设备采购处 ，从事核电设备监造工作5年。
刘世辉 ，1975-4 ，研究生 ，高级工程师 ，三门核电有限公司设备采购处 ，从事核电设备监造工作14年。
论文作者:徐连锋,刘世辉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/6
标签：飞轮论文; 推力论文; 轴承论文; 核电论文; 转子论文; 间隙论文; 组件论文; 《电力设备》2019年第2期论文;