AP1000主泵安装关键技术研究与工程应用

胡国峰

(国核工程有限公司，上海 200233)

主泵作为核电站一回路系统的重要精密设备，担负着为一回路堆芯提供足够的冷却剂流量并保证堆芯的裂变热量能够导出到蒸汽发生器的作用。在核电站建设过程中，主泵的正确安装对核电项目的建设、投产以及电厂的正常运行都具有重要意义。对于AP1000主泵的设计，有学者进行过研究[1]，对于AP1000主泵的安装，也有学者进行过介绍[2-4]，但均未涉及关键技术。

AP1000作为美国西屋电气公司设计的第三代先进非能动型压水堆核电堆型，其主泵相对CPR1000型主泵有较大差别。AP1000主泵是由美国EMD公司制造的无密封、单级、7叶片高惯性、离心屏蔽泵，每个环路的蒸汽发生器下封头处焊接了2个主泵泵壳，如图1所示[5]。这种泵在设计上具有明显的优点，例如屏蔽泵的电机在下、泵在上，有利于减小屏蔽泵的尺寸，能够满足主泵对大流量的要求，同时具有全寿期内免拆卸和维修的优点。

AP1000主泵的安装过程从开箱开始，到接线盒安装结束，步骤繁多。在整个安装过程中，激光测量、主泵顶升和主泵水平运输至泵壳为关键技术。

图1 AP1000反应堆冷却剂回路示意图

笔者结合工程建造实践，在现场对安装方案进行了较为深入细致的研究，并将其结果用于现场安装，取得了良好的效果。

1 测量技术

在主泵的安装过程中，各个安装部位间隙较小，大部分间隙在0.5～1.0 mm，且由于安装空间狭小,不仅测量方法受限，测量难度也很大。在吸入适配器与泵壳的安装过程中，采用了激光测量及三维建模的方法，有效保证了安装精度。激光测量仪器为FRO公司的ION激光跟踪仪，软件为New River Kinematics。

图2为泵壳内部结构示意图，吸入适配器与泵壳之间的安装间隙为0.76 mm，在吸入适配器顶升进入泵壳后，采用常规测量方法无法观测两者之间的相对关系，更无法进行间隙测量。为此，在安装现场对吸入适配器的关键尺寸选点(如图3所示)，进行测量并建立三维模型。其中选取点数为顶法兰端面圆20个点、顶法兰端圆柱30个点、本体内圆柱40个点、面向叶轮圆柱30个点、面向扩散器圆柱40个点、底面外圆15个点，在整个测量过程中要保证误差不超过0.15 mm。

图2 泵壳内结构示意图

在将吸入适配器放上顶升装置后，首先要确定需要顶升的高度。在顶升过程中，要保证顶升装置、吸入适配器与泵壳的中心保持一致，并在顶升装置上选择4个点进行标高测量，激光测量仪器实时监测其中任意2个点的标高偏差，使其不超过0.2 mm。在到达顶升高度后，对底面外圆的15个点进行复测，并将数据代入在开始阶段建立的三维模型，以确定吸入适配器与泵壳的安装是否满足设计要求。

图3 吸入适配器测量部位示意图

2 主泵顶升

如图4所示，AP1000主泵作为倒立式主泵，主泵在下，泵壳在上，安装时需要将下部主泵逐渐顶升就位。在顶升阶段后期，主泵进入泵壳后不仅难以观察空间关系，而且还要满足同轴度偏差±0.32 mm、角度偏差±1.52°、平行度偏差±1.52 mm的设计要求，顶升难度较大。

图4 AP1000主泵示意图

2.1 主泵顶升油缸布置

AP1000主泵顶升系统选用ENERPAC公司进口产品，型号为SLCOO8502E3440SW，系统主要由8个承载能力为50 t、行程为50 mm的双作用油缸和电动液压泵站组成。根据小车的结构特点，在布置油缸的顶升位置时，需在小车4个支撑立柱的两侧各布置1个油缸，且油缸还应以立柱中心为圆心，同时油缸需留出空间以便立柱下方行走滚轮回转。总的原则是，油缸在不影响行走滚轮回转的前提下，越靠近支撑立柱越好。经现场试验，确定油缸的布置如图5所示，油缸布置在每个行走轮周围584～914 mm的圆环范围内，且每个圆环内对称布置2个。

图5 8点同步顶升系统油缸布置图

2.2 主泵顶升油缸速度

双作用油缸参数见表1，电动液压泵站参数见表2。电动液压泵站有低压大流量和高压小流量2种工作模式，系统工作压力低于5 MPa时，泵大流量输出，可以提高工作效率；系统工作压力高于5 MPa时，泵小流量输出，可以提高同步顶升的稳定性和安全性。

表1 主泵顶升双作用油缸参数

根据表1和表2进行油缸顶升、下降速度和时间计算，确定空载工况与负载工况下的极限速度与时间。

表2 主泵顶升电动液压泵站参数

(1) 空载工况时，电动泵大流量、低压输出，输出压力低于5 MPa，顶升时无杆腔部分工作，下降时有杆腔部分工作。

最大顶升速度V1=Q1/(8×A1)=85.39 mm/min；最大下降速度V2=Q1/(8×A2)=170.78 mm/min；最短顶升所需时间t1=50 mm/V1=0.59 min；最短下降所需时间t2=50 mm/V2=0.29 min。

(2) 负载工况时，电动泵小流量、高压输出，输出压力在5～70 MPa，顶升时无杆腔部分工作，下降时有杆腔部分工作。

最大顶升速度V3=Q2/(8×A1)=8.93 mm/min；最大下降速度V4=Q2/(8×A2)=17.86 mm/min；最短顶升所需时间t3=50 mm/V3=5.60 min；最短下降所需时间t4=50 mm/V4=2.80 min。

2.3 主泵顶升速度确定

主泵顶升时油缸为负载工况，该工况下最大顶升速度为8.93 mm/min。在顶升后期，主泵进入泵壳后难以观察空间关系，为了保证主泵顶升万无一失，严格满足设计要求，现场进行了多次模拟以确定最佳顶升速度。

模拟件的关键尺寸、重心、质量与主泵基本一致，采用与实际施工中一致的8点同步顶升系统，得出的模拟数据如表3所示。经综合分析，主泵在泵壳内正式顶升时，速度宜控制在3.0～4.0 mm/min。

表3 主泵顶升模拟数据

在主泵1A、1B、2A、2B实际安装时，现场采用保守参数，进一步缩小顶升速度范围区间，采用的顶升速度为3.2～3.7 mm/min，同轴度、角度和平行度的实测数据如表4所示，较好地满足了设计要求。

表4 主泵顶升实际数据

3 主泵水平运输至泵壳

主泵安装于蒸汽发生器腔室内，从吊装孔引入安装区域地面后，坐落于如图6所示的小车上，小车固定基座下方安装有6组HILLMAN移动滚轮，型号为30-SLS，承载能力为30 t，利用外部驱动方式实现小车的水平移动，每组滚轮投影方向上与30-MSJ-U型蜗杆升降机重合。

图6 主泵安装小车

图7为西侧蒸汽发生器腔室内主泵的安装空间，安装区域地面有效面积约为31 m2，主泵安装时腔室内的大部分物项已安装完成并移交调试，周围还需预留工具箱、脚手架和旁站人员位置，空间狭小，十分容易发生各种碰撞。

图7 西侧主泵安装区域布置

为避免2台主泵之间及周围物项对主泵的影响，现场采用如图8所示的三维建模，给出蒸汽发生器腔室内可在主泵安装前预先安装的物项清单，最大限度地保证工艺系统调试的完整性，并规划出一条小车最优行进路线。在实际安装过程中，小车根据三维建模路线行进，成功避免了物项冲突，距墙体最近距离仅为18 mm，与模拟值基本一致。

图8 主泵安装小车行进三维建模

4 结 论

(1)在关键部件(如吸入适配器与泵壳)的安装过程中，采用激光测量与三维建模的方法可在间隙仅为0.76 mm的情况下完成顶升装配。

(2)在采用物理模拟的基础上，得出主泵顶升速度区间为3.0～4.0 mm/min，在实际现场工作时采用更严格的顶升速度区间3.2～3.7 mm/min，使得主泵的安装完全满足设计要求。

(3)在采用三维建模的基础上，对主泵在蒸汽发生器腔室内的水平运输进行路线规划。根据该规划，主泵实际安装时距离墙体仅为18 mm，与模拟值基本一致，成功地避免了物项碰撞。

参考文献：

[1] 李贵敬，阎昌琪，王建军. 核动力装置主循环泵运行参数优化设计及惰转瞬态分析[J].动力工程学报，2015，35(1)：83-88.

LI Guijing, YAN Changqi, WANG Jianjun. Running parameters optimization design and flow coastdown transient analysis for main circulating pump of nuclear power plants[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2015, 35(1): 83-88.

[2] 钟兴华，马莉. AP1000屏蔽式主泵拆装工具研制[J].装备制造技术，2017(9)：72-74.

ZHONG Xinghua, MA Li. Design of AP1000 RCP installating tools[J].EquipmentManufacturingTechnology, 2017(9): 72-74.

[3] 钟兴华，马莉. AP1000主泵拆装设备的开发与应用[J].电站辅机，2016，37(4)：2-18.

ZHONG Xinghua, MA Li. The design and application of RCP installation/maintenance equipments[J].PowerStationAuxiliaryEquipment, 2016, 37(4): 2-18.

[4] 左学兵，陈晶晶，张金东，等. AP1000反应堆冷却剂系统主要设备安装技术[J].压力容器，2013，30(11)：62-69.

ZUO Xuebing, CHEN Jingjing, ZHANG Jindong, et al. Installation of main equipments of reactor coolant system in AP1000 nuclear power plant[J].PressureVesselTechnology, 2013, 30(11): 62-69.

[5] 林诚格. 非能动安全先进压水堆核电技术[M]. 北京：原子能出版社，2010.