核电厂冷却水泵维修性分析与改造

申伽奇，夏继豪

摘 要：核电厂的冷却水泵设备，是核电站回路辅助系统中最为重要的设备之一，其在核电厂发电以及水冷却过程中发挥着不可替代的重要作用。但是，设备在运行过程中不可避免地会出现一些问题，通过长期的历史数据调查可以发现，冷却水泵在使用过程中可能会出现漏水和后期维修性能较差的问题，这也给现场操作人员以及维修管理人员的工作带来了极大的挑战。同时，冷却水设备的问题也会影响到核电站发电设备的正常运转，会导致核电站发电效率低或回水冷却性能低下等多种问题。文章主要分析了核电厂冷却水泵的维修性，并就核电厂冷却水泵的维修改造方案进行了探讨，希望能够为提升核电厂冷却水泵的应用性能提供参考。

关键词：核电厂冷却水泵;维修性;改造方案

中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.009

核电厂的设备冷却水泵，是核反应堆以及一回路辅助系统中的关键设备之一，冷却水泵不仅能够在核反应堆正常运行时输送设备冷却水，同时当发生停堆以及其他问题的状况下，也能够持续不断地向设备输送冷却水，冷却水泵的正常运行与冷却一回路系统的安全运行具有密不可分的关系。冷却水泵在运行过程中，采用的是机械与水泵共轴式连接的方法，轴封采用的是散装式机械密封的方式。

然而，从长期的冷却水泵运行参数数据看，这种轴封方式会导致冷却水泵在运行过程中出现严重的漏水问题，并且也加大了维修管理人员后期的工作难度。如果轴发生磨损，就必须要更换整个电机，这也增加了维修和管理的时间，同时还为核电厂带来了高额的维修成本。因此，核电厂必须要分析设备冷却水泵的维修性以及改造方案，以有效提升改造后的维修效率，帮助核电厂在维修管理过程中降低成本。

1 设备冷却水泵的基础参数信息

1.1 设备冷却水泵简介

设备冷却水泵的结构形式主要为单级单吸离心泵，在运行过程中，水泵的运转和电机的运转需要共用同一根轴，但是水泵和电机应用的轴分段不同。水泵应用的轴分段属于电机轴的延伸部分。冷却水泵的安装方式为立式挂壁安装，外壳属于水平方向的剖分结构。在这样的结构作用下，冷却水的进出是通过水平吸入和水平吐出的方式实现的，冷却水的吸入主要通过进水弯管和进水盖结合作用实现。设备冷却水泵的结构图如图1所示。

1.2 设备冷却水泵的解体探究

为了直观地了解设备冷却水泵运行过程中出现的实际问题，必须对设备冷却水泵进行解体检测。在检查过程中，笔者发现了以下几个问题：第一，设备冷却水泵安装机封部位的轴磨损较为严重;第二，机封内部的摩擦副和静环座内墙磨损较为严重。

2 设备冷却水泵的维修性分析

设备冷却水泵中的电机和水泵采用的是同一条轴，这种同轴式结构的优势在于，冷却水泵内部的组轴尺寸较小，但是在应用过程中也会出现一定的缺陷，并且后期维修管理工作较为困难。尤其是在使用过程中，如果轴的磨损情况较为严重，必须要更换整个电机设备，这也在一定程度上为核电厂的设备冷却水泵维修增加了一定的成本。本次解体的设备冷却水泵，电机轴磨损情况就较为严重，磨损部位主要处于装机械密封口处。

通过对核电厂的设备、冷却水泵尺寸进行测绘工作，再加上与用户之间进行技术交底，笔者决定将电和水泵采用同一条轴的结构方式改造为分轴式结构。在改造过程中，需要应用剖分式联轴器，将电机应用的轴与水泵应用的轴相连接，水泵轴与电机轴需要应用分半卡环以及螺栓，将剖分式的联轴器固定好。剖分式联轴器属于一种刚性联轴器，这种联轴器在运用过程中具有一定的优势。剖分式连接轴在组装及拆卸过程中，不需要采用轴向移动的方式，因此组装和拆卸的流程较为简单。除此之外，剖分式连接轴在运行过程中，采用的是軸向力传导的动力原理，传动过程中不需要耗费大量的电力。由于本次研究中设备冷却水泵的转速较高，最高转速甚至达到了2 900 r/min，这也导致剖分式联轴器等运行速度较大。为了减少轴运行过程中的不平衡量，可以将剖分式联轴器上的六颗螺栓设计成对称轴的分布方式，并且需要单独对剖分式联轴器进行平衡测试实验，确保剖分式联轴器在运行过程中减少不平衡量，并且有效降低设备冷却水泵运行过程中的振动频率。

通过对该核电厂的设备冷却水泵进行解体，笔者还发现，设备冷却水泵的轴封方式为非集装式机械密封方式。在轴风口处静环内孔与轴的表面磨损较为严重，设备冷却水泵的压盖上并没有安装排气孔。这种非集装式的机械密封方式，在运行过程中会出现巨大的缺陷。这种密封方式本身的安装流程较为复杂，并且在运行时容易发生泄露问题，因此在安装过程中，必须要灵活调整弹簧的压缩量，这也为施工工人安装以及后期的维修管理带来了巨大挑战。除此之外，非集装式密封采用的是同一根大型弹簧，这种弹簧在使用过程中会导致摩擦副端面受力不均匀的问题，并且在其风口处还容易发生泄露。由于这种非集装式机封具有一系列的应用缺陷，因此笔者决定在不改变原有水泵尺寸的情况下，对机械密封的轴封方式进行改造，将原有的非集装式机械密封方式转变为集装式的机械密封方式，以有效防止运行过程中的水泄露问题。

集装式的机械密封方式，主要是将密封压盖以及动静环结合运用在轴套部位。在安装过程中，可以应用体型较小的弹簧代替原先的大型弹簧，这种小弹簧能够确保端面上的弹簧比压受力较为均匀，并且还不会受到轴直径变化带来的影响。集装式机械密封在正式投入运行前，就需要将弹簧的压缩量调整到合理位置，在使用过程中，直接将机械密封组装安装在传动轴上就可以应用，不需要再次调整弹簧的压缩量，整体的安装操作流程较为简单。除此以外，在轴的安装方面还设计了保护套，确保整个冷却泵的轴能够与冷却水分离开来，防止冷却水与轴带直接接触而带来的磨损或腐蚀问题。与此同时，还在机械密封压盖上设置了排气阀，防止机械密封腔体内存留的气体导致机械密封损坏[1]。

为了进一步优化转子的轴结构，本次改造过程中，需要在冷却水泵上安装水润滑倒轴承承受泵转子运行过程中带来的压力。在方案规划过程中，将导轴承的安装部位确定在原先安装叶轮口环的区域。为了确保初步设计规划的可行性，需要与轴承设计的厂家经过多次技术交底工作，确认该方案是否可行。确认无误后需要用水润滑导轴承代替原先的叶轮，这样既能起到一定的密封作用，同时又能够更好地承受水泵转子带来的作用力。水润滑导轴承主要的材质为碳纤增强型复合材料，这种材料本身就具有一定的润滑效果，并且在使用过程中还具有良好的抗磨性能。这项材料在运转过程中能够有效缩小运转闲带来的空隙。同时，还能防止叶轮摩擦或出现咬合的问题。通过运转过程中减小口环之间的间隙，还能够有效提升冷却水泵等运转效率，同时降低冷却水泵机组在运行过程中的振动频率[2]。

3 设备冷却水泵的维修改造措施

3.1 改造设备冷却水泵的电机轴

笔者对电机轴和泵轴采用了分轴式的结构改造方式，并且在分轴连接部位增加了剖分式联轴器，为了确保分轴式的轴承正常运转，必须要对电机部分使用的轴承进行改造[3]。在改造之前，首先要精确测量电机轴的尺寸，在现有电机轴的基础上进行二次加工，并且在电机轴的源头处添加一道5 mm左右的槽，用来安装剖分式联轴器。在改造过程中，需要将原有的电机轴全部拆除，然后对轴承的两端部位进行支撑，确保轴的径向跳动空间不超过0.08 mm，如果轴的径向跳动空间超过了这一系数，就不能在现有的电机轴基础上进行改造，需要将电机轴全部拆除，重新加工一根全新的轴。经过检测，笔者发现原有的电机轴跳动系数没有超过0.08 mm。因此，可以在原有的电机轴基础上进行二次改造[4]。

3.2 改造设备冷却水泵的制造泵轴

采用分轴式的结构方式后，需要重新加工一根新的水泵轴，在加工之前需要测绘出设备冷却水泵全新的结构图纸。全新的水泵轴采用的是不锈钢材质，在应用之前，需要对不锈钢材质进行热处理工作[5]。

3.3 分轴式结构改造的跳动检测

在水泵轴与电机轴进行连接之后，需要对分轴式的结构进行跳动检测。在检测过后，笔者发现轴跳动系数为0.015 mm。安装完成后需要装配叶轮口，并且对叶轮口环的位置进行进一步的跳动检测，确保测试纸处在0.1 mm左右。

3.4 分轴式结构的保护套安装工程

为提高水泵机组运行的安全性以及稳定性，需要在电机支架的窗口部位设置保护装置。保护装置的材质为金属材质，需要选择不锈钢材料起到一定的耐磨和抗压作用，并且防止水泵机组在运行过程中，对工作人员造成身体伤害[6]。

3.5 确保转子动平衡

在水泵机组运行过程中，为降低转子不平衡而导致的水泵机组振动频率，必须要对水泵机组的转子运行参数进行调整，同时需要进行平衡试验测试。在实验过程中，需要按照一定的标准进行，确保转子的动平衡精确度符合G1.0级的标准，允许转子在运动过程中出现不平衡误差，但是不平衡量必须要控制在0.1 g的范围之内[7]。在转子运动过程中，需要进行去重工作，可以通过在叶轮前压盖板上进行去重的方式操作，但是去重的厚度不能超过压盖板厚度的1/3。

3.6 维修改造过后的性能测试

在设备冷却水泵机组维修改造过后，需要对水泵机组进行二次运转测试，在多次测试后才能验证维修改造后的水泵机组的运行是否稳定可靠。与此同时，还要对水泵机组的性能参数进行进一步的测试，如图2所示[8]。在水泵试验台上进行测试操作，水泵机组的安装方式为立式，侧挂式安装，如图3所示，要在安装支架上另外设置减震设备，从而降低水泵机组运行过程中的振动频率。在实验过程中，需要考核水泵机组运行的稳定性，记录水泵机组在额定功率下的振动频率、噪音程度、轴承流畅性以及温度、水泄漏量等各项参数，实验过程需要连续10个小时。在这10小时内，如果冷却水设备机组运行的各项参数保持在稳定范围内，轴承温度正常，密封口无水泄露现象，那么就证明本次设备冷却水泵的维修改造取得了成功，可以在生产线上大批量应用[9]。

4 结语

综上所述，核电厂在发电过程中，冷却水泵的运行关系到整个发电机组的运行稳定性以及安全性，但是冷却水泵在运行过程中会出现一系列的问题，这也为冷却水泵的维修和管理工作带来了巨大的挑战。因此，必须深入分析设备，冷却水泵运行过程中的维修性，采用科学的改造方式，提高冷却水泵运行过程中的稳定性，确保冷却水泵机组在运行过程中能够发挥其应有的作用。

参考文献

[1] 高泽民.核电厂设备冷却水泵维修性分析与改造[J].水泵技术，2019（5）：39-42，52.

[2] 白会贤，文朗，宋晓兰.核电厂定子冷却水泵的控制方案设计[J].产业与科技论坛，2016，15（4）：71-72.

[3] 潘曉辉，张军强.核电厂发电机定子冷却水泵主备切换失灵分析及处理[J].东北电力技术，2016，37（4）：39-41.

[4] 梁阳，张旭东，薄文.某核电厂发电机定子冷却水泵振动高分析及处理[J].现代机械，2021（3）：98-102.

[5] 陈海桥，郝朋飞.某核电厂定子冷却水泵频繁故障原因分析及优化[J].电工技术，2020（10）：42-43，71.

[6] 尤凌祎.核电厂发电机定子冷却水泵振动超标分析及改造技术[J].机械制造与自动化，2020（4）：206-208.

[7] 靳晓乐，郑广新，刘伟.某核电厂辅助冷却水泵电机振动故障诊断[J].噪声与振动控制，2020（6）：140-143，152.

[8] 刘斌，张精干，史庆峰，等.核电厂定子冷却水泵切换失败原因分析[J].机械工程师，2021（9）：160-162.

[9] 柏涛.发电机定子冷却水系统改造和逻辑优化[J].产业与科技论坛，2018（12）：78-79.