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核电厂设备冷却水泵维修性分析与改造

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：孙建鑫

[导读] 摘要：设备冷却水泵是反应堆及一回路辅助系统的重要设备之一，在反应堆正常运行、停堆和各种事故工况下输送设备冷却水，冷却一回路系统及与安全有关的设备。

        （中电华元核电工程技术有限公司山东烟台海阳 265100）
        摘要：设备冷却水泵是反应堆及一回路辅助系统的重要设备之一，在反应堆正常运行、停堆和各种事故工况下输送设备冷却水，冷却一回路系统及与安全有关的设备。该泵采用机、泵共轴式联接，轴封采用散装式机械密封，然而，从长期现场运行结果来看，该种结构机封漏水严重，维修时还需将整个电机和转子吊出，并且当轴发生磨损后，必须更换整个电机，增加了维修周期和维修成本。本文对核电厂设备冷却水泵维修性分析与改造进行探讨。
        关键词：核电厂；水泵维修；分析改造
        一、设备信息
        设备冷却水泵结构形式为单级单吸离心泵，水泵和电机共用一根轴，泵轴是电机轴的延伸。水泵安装形式为立式挂壁安装，泵壳采用水平剖分结构，进出水方向为水平吸人、水平吐出，吸人方式采用进水弯管和进水盖结合的方式，设备冷却水泵结构如图1所示。

                      图1 设备冷却水泵结构图
        二、设备冷却水泵解体
        为了真正意义上了解设备冷却水泵的实际状态，首先对设备冷却水泵进行解体检查，解体过程中发现以下问题：
        1、安装机封处的轴表面磨损严重。
        2、机封摩擦副和静环座内腔磨损严重。
        三、维修性分析
        设备冷却水泵是机、泵共轴式结构，该结构的优点在于泵组轴向尺寸小，但其也有缺点，就是维修不方便，尤其是当轴磨损后，必须更换整个电机，增加了维护成本。本次设备冷却水泵的电机轴就已经严重磨损了，磨损部位在装机械密封处。通过对泵组尺寸的测绘以及跟用户技术交流，决定将共轴式结构改造成分轴式结构，采用哈夫（剖分式）联轴器将电机轴与泵轴联接，泵轴与电机轴用分半卡环、再用螺栓将哈夫联轴器夹紧。哈夫联轴器属于刚性联轴器，其最大的优点是装配和拆卸时轴不需要轴向移动，装拆非常方便，并且轴向力可以完全传递。由于设备冷却水泵的转速比较高（2900r/min），使得哈夫联轴器的线速度比较大，为了减少不平衡量，我们将哈夫联轴器上的6颗螺栓设计成对称布置，并且单独对哈夫联轴器进行G1.0级动平衡试验，减少不平衡量，以降低泵组振动。
        解体还发现，设备冷却水泵的轴封为非集装式机械密封，而且静环内孔与轴表面磨损严重，压盖上未设置排气孔；非集装式机械密封最大的缺点是安装复杂、容易泄漏，在安装过程中必须要调整弹簧的压缩量，给安装和维修带来诸多困难，并且非集装式机封采用一根大弹簧，使得摩擦副端面受力不均匀，容易产生泄漏。基于上述问题，决定在不改变泵壳尺寸的情况下对机械密封进行改造，将原有的非集装式机械密封改造成集装式机械密封。
        集装式机械密封主要是将密封压盖和动静环集成在轴套上，并且用一圈小弹簧来代替用一个大弹簧，使得端面上的弹簧比压非常均匀，并且不受轴径变化的影响。集装式机械密封在出厂前已经将弹簧压缩量调好，使用时直接将机械密封安装在传动轴上即可，无需调整弹簧压缩量，安装简单方便。此外，在轴上还设计了护轴套，使得整个泵轴全部与介质分开，防止介质与轴接触给轴带来磨损或腐蚀等破坏；并且在机械密封压盖上设置了排气阀，防止机械密封腔体存留空气导致机械密封干摩损坏。
        为了进一步优化转子轴系结构，本次决定在泵上安装水润滑导轴承来承受泵转子的径向力闭，初步方案选择在原来安装叶轮口环处安装导轴承。通过与轴承厂家多次技术交流，该方案是可行的，即用水润滑导轴承来代替叶轮的前口环，既能起到密封环的作用，又可以承受泵转子的径向力。该轴承材质为碳纤增强型复合材料，有极好的润滑效果和耐磨性。该材料可使运转间隙做的很小，还能减少叶轮摩擦和咬合。通过减小口环间隙还可以提高泵的效率，而且能减少泵组的振动频率。由于设备冷却水泵泵头部分没有轴承，这样会有运转产生的径向力导致口环和机械密封磨损的风险，进而带来泵组振动。
        四、维修性改造
        1、电机轴的改造
        由于分轴式改造及增加了哈夫联轴器，必须对电机轴进行改进，通过测量电机轴的尺寸，决定在现有的电机上进行加工，并在轴头处加工一道5~宽的槽用来安装联轴器。前提条件是：电机轴全部拆出后，支撑装轴承处两端，对轴打跳动，确定轴的径向跳动蕊0.08mm，若轴的径向跳动超过0.08~，则不能在现有的轴上进行改进，需要重新加工一根新轴。经检测，原电机轴跳动，0.08~，可以在该轴上进行改进。
        2、制造泵轴
        分轴后需要重新加工一根泵轴，按照测绘的设备冷却水泵结构图设计出泵轴图纸，泵轴采用不锈钢20Cr13材质，作调质热处理，HB=200-241。
        3、跳动检测
        泵轴与电机轴联接后进行跳动检测，轴跳动为0.015m。装配上叶轮后，对叶轮口环位置进行跳动检测，测试值为0.1mm。
        4、转子动平衡
        为了降低转子不平衡引起的泵组振动，泵转子必须做动平衡试验，试验按照GB/T9239.1进行。动平衡精度按G1.0级进行，比标准等级G2.5级提高一级，允许不平衡量为0.1g，去重方式为在叶轮前后盖板上进行去重，但去重厚度不能超过盖板厚度的1/3。
        5、安装防护策
        为了提高泵组运行中的安全性，在电机支架的窗口处安装金属防护罩，材料选择304不锈钢，防止造成人身伤害。
        五、性能试验
        泵组维修性改造后，对泵组进行运转试验，以验证改进后泵组的稳定性和可靠性，同时检测泵组的性能参数。试验在水泵试验台上进行，泵组安装方式为立式侧挂式安装，并用减振器弹性安装在支架上。运转试验中，主要考核泵组的运行稳定性，同时记录泵组在额定工况下的水力性能以及振动、噪声、轴承温度、机械密封泄漏量等参数}s7。泵组试验过程中连续运行10小时，期间泵组运行稳定、可靠，轴承温度正常，机械密封无泄漏现象。
        结论
        通过对改造后的设备冷却水泵进行运转试验，泵组运行可靠，性能稳定。通过现场实际拆装记录，设备冷却水泵平均维修时间MTTR≤2h，大大缩短了平均维修时间，提高了泵组的可维修性。通过分轴式改造，避免了原来共轴式结构中若电机轴发生锈蚀或磨损必须更换整个电机，极大地节约了成本，泵组可在不拆卸电机和泵体的情况下，完成对泵的任何零部件进行维修和更换，达到了改造目的。本次设备冷却水泵的改造是成功的，可以批量化应用。
        参考文献：
        [1]设备冷却水泵转子系统振动特性研究[J].刘文进，曹宏涛，张鹏，马春来.水泵技术.2016（06）
        [2]超临界机组节能改造及运行优化方案探讨[J].孟首元.科技情报开发与经济.2012（02）