“华龙一号”核主泵质保等级与安全分级的划分

2021-06-15冯晓东雷宇升

流体机械 2021年5期

冯晓东，王磊，雷宇升，朱伟

（1.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150066；2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001；3.中国中原对外工程有限公司，北京 100044）

0 引言

“华龙一号”核电站主泵采用竖轴半伞式多轴承结构，是核岛内一回路唯一的旋转设备，属于高温、高压、受辐照的压力边界，相当于反应堆的心脏，为核安全一级、质保一级、抗震Ⅰ类设备，无备用配置，对可靠性要求极高，主泵运行故障将直接导致核反应堆停堆，甚至造成核安全事故［1-3］。为保障核电站设备安全运行，国际组织和核电发达国家均制订了核安全法规。1954年，美国制订和颁布了原子能法，其核安全法规是联邦第10篇10CFR（0-199）及核管会（NRC）颁布的管理导则。1974年，国际原子能机构（IAEA）制订了NUSS计划，其一系列核安全法规被世界各国认可。1983年，法国核岛设备设计和建造规程协会（AFCEN）编制并出版了RCC系列法规。1986年，中国国家核安全局依据IAEA颁布的法规，制订了相对应的核安全法规（HAF0100～HAF0500）。1995年，俄罗斯制订了联邦原子能利用法，其核电法规与标准体系包括“原则和准则”、“法规和法则”、“导则、指南和规则”3个层次。核级设备运行的安全可靠性依赖于产品设计的成熟性和制造质量。产品设计、制造和安装过程对零部件质保等级和安全分级的划分关系质量的管控和造价成本。合理的分级既可以保证产品的质量、可靠性和安全性，又可以降低投入成本［4］。目前，核级设备零部件的划分没有详实的规范或标准，主要依赖于HAF法规的宏观导向。我国一些学者根据现有法规对核级设备的质量和安全分级分别从划分方法（确定论法和概率论法）、原则、实施等方面进行了相关研究。周新生［5］详述了压水堆核电厂核设备安全等级的划分原则、确定和实施。李平等［6］针对岭澳一期项目常规设备分级存在的问题，给出了既能实现合理分配资源又具有较强可操作性的分级方法。沈伟［7］提出了机械设备安全分级与电气设备安全分级、系统安全分级的关系。罗水云等［8］参考国内自主依托化项目质量保证分级方法，提出了后续AP1000项目质量保证分级的方法。竺艺等［9］对国内现有的几家核电机型的机械、电气和仪控的设备安全分级进行了分析和比较，探讨了几种堆型设备安全分级的差异。孔令杰［10］提出了核级机械承压设备鉴定的常用方法和基于鉴定结果的设备改进措施。何雅洁［11］提出了使用模糊综合评判法对核安全设备制造阶段的零部件实施质量保证分级的方法，得到更准确合适的分级结果。上述学者的研究对核级设备的质保分级和安全分级分别从不同的角度提出了更利于核电管理的方法，具有较高的参考价值。

核主泵是核电站主回路其中一种承压设备，现行制订的规范或标准只规定了设备整体的质保和安全等级，而未对组成设备的零部件的等级划分提出具体细则。本文依据我国HAF法规和核电厂质量管理标准，结合利用广泛且较成熟的ASME核电规范，充分考虑核主泵零部件的功能性、复杂性、成熟性、利用率和造价成本，提出了“华龙一号”轴封式核主泵的质保等级和安全分级的划分原则，希望对同类或近似的核级设备具有参考意义。

1 核主泵

“华龙一号”轴封式核主泵设计参数为：流量23 790 m3/h，扬程 95.5 m，转速 1 485 r/min，设计温度343 ℃。泵总高4 824 mm，主泵和电机总高8 950.5 mm，泵总重67 500 kg，主泵和电机总重119 500 kg。

本文介绍的“华龙一号”轴封式核主泵依据ASME核电建造规范设计，主要由承压边界（泵壳、密封室等部套）、功能部件（轴系、叶轮、轴密封等部套）、承载应力部件（叶轮罩等部套）及其它部件组成，如图1所示。

图1 核主泵三维模型Fig.1 3D model of Reactor coolant pump

核主泵设计成竖轴半伞式三轴承轴流泵结构［12］，叶轮旋转将势能转换为动能，进一步转化成导叶体内的压力能。介质在泵壳内从垂直方向吸入偏转到水平方向排出。泵由三相异步电动机驱动，与上电机支座连接，推力轴承安装在上电机支座内，电动机与泵共用推力轴承，并设置止逆机构防止反转，中间轴将泵轴与电机轴固定连接在一起，主轴设置三级相同串联的流体动压机械密封实现密封回路［13］。轴密封之后装有停车密封，在主泵停车或故障时氮气管路提供氮气开启停车密封起关闭作用。应急管线与高压冷却器提供冷态密封注入水可以防止密封和水润滑下导轴承过热［14］。油润滑双向推力轴承承载系统压力产生的轴向力、旋转部件的重力和叶轮产生的轴向推力［15-19］。径向力由两个油润滑和一个水润滑轴承承载。油供应管路及滑油冷却器为推力轴承提供正常运转所需规定温度的滑油。推力轴承下部安装的油密封用于控制滑油的泄漏。

2 质保等级的划分原则

核主泵零部件质保等级必须遵循IAEA 50-C/SG-Q（1996）、HAF0400《核电厂质量保证安全规范》及其导则《核电厂物项制造中的质量保证》、GB/T 17569—1998《压水堆核电厂物项分级》和买方设备规范书的要求进行划分，目的是加强零部件在设计、采购、制造和安装过程的质量监管，避免违规操作，保证产品满足核电站安全运行的要求。核主泵每个零部件的用途不同，制造厂根据使用功能、设计建造经验、工艺成熟性、设备的复杂性、市场标准化程度等多种因素，将零部件的质保等级划分为QA1，QA2，QA3和QNC四个等级。QA1级需制定质量保证大纲；QA2级需制定质量保证程序；QA3级需遵守业主对供货方总的要求与规定；QNC级不要求供应商提供质保大纲或程序，也不要求遵守业主对供货方总的要求的规定。

2.1 质保等级的定义

根据核主泵零部件的使用功能，在材料清单中对每个零部件进行详细的质保等级规定，定义原则为：

（1）QA1级，按ASME规范设计：根据规范（NRC 1130）-NB/ND/NF设计的适用于承压边界的零件、连接QA1级零件的紧固件、用于与QA1级零件的连接头、堆焊与密封焊缝、连接承压边界的支承件、在承压边界内的辅助系统零部件、用于承压边界辅助系统零部件的支撑、冷却水系统。

（2）QA2级，功能：适用于与安全相关的泵内部件。

（3）QA3级，承载应力：适用于泵内部件、与承压边界相关的紧固件和垫片。

（4）QNC—与介质接触及其他：适用于与反应堆冷却剂介质或相关功能要求的泵内部件；其它不属于QA1-QA3的零部件。

2.2 质保等级的划分

2.2.1 QA1级

（1）承受大气与系统介质压差的零部件及其支撑，如：泵壳、泵盖、密封室、密封室盖、密封前测温件等。

（2）连接QA1级零件的紧固件，如：主螺栓、主螺母、密封室螺栓、密封室螺母。

（3）用于与QA1级零部件连接的管接头、堆焊及密封焊缝。

（4）用于支撑核主泵电动机的电机支座。

（5）合同规定的重要功能部件。

2.2.2 QA2级

（1）与主回路介质接触同时传递力或力矩的非承压零件。

（2）不属于承压边界的轴系部件。

（3）用于承压边界的轴密封/机械密封。

2.2.3 QA3级

（1）与介质和相关应力接触的零件（不属于QA1或QA2）。

（2）不属于承压边界的轴系紧固件。

2.2.4 QNC级

（1）不属于QA1～QA3级，且与介质接触或承担相应功能的泵内部组件、小零件及标准件。

（2）其他未在规定范围内的零件。

2.3 计算验证

承压边界（QA1）的计算验证遵循ASME法规第Ⅲ卷第1册NB分卷，共有A，B，C，D 4级。其他零部件（QA2～QNC）的计算验证遵循相应规范规定的标准和准则。用于确定承压边界零部件尺寸大小的设计应力强度值Sm按照ASME法规第Ⅱ卷D篇材料表选取。除ASME材料之外的其它材料由单独的材料规范指定，Sm值由ASME法规第Ⅱ卷D篇附录2确定。适用材料加工工艺保证的最小值可用于确定Sm值。

2.3.1 QA1级零件的尺寸计算

按照ASME法规第Ⅲ卷第1册NB，ND分卷（或NF分卷）计算尺寸，同时应满足下列负载限制，即：NB-3221设计载荷；NB-3222 A级使用限制（正常运行条件）；NB-3223 B级使用限制；NB-3224 C级使用限制；NB-3225 D级使用限制；NB-3226试验限制；NF-3220对1级（支撑）按分析设计。

2.3.2 QA2级零件的尺寸计算

使用合同里规定的相关载荷，对可拆轴、联轴器、下泵轴、叶轮的整体固定装置进行应力、变形计算。

2.3.3 QA3级零件的尺寸计算

使用合同中规定的负载情况，通过计算所得的零件所产生的应力、应变来确定尺寸。

3 安全分级的划分原则

根据《用于沸水堆、压水堆和压力管式反应堆的安全功能和部件分级（HAD102/03）》，与核主泵相关的安全功能条目主要有防止发生不可接受的反应性瞬变；按相关要求停反应堆以防止预计运行事件发展为事故工况和减轻事故工况的后果；在冷却剂流失事故后，在必须采取停堆行动才能使堆芯得到可接受的冷却情况下，关停反应堆；在所有运行工况期间和之后，保持足够的反应堆冷却剂量用以冷却堆芯；保持反应堆冷却剂系统压力边界的完整性等。针对上述安全相关功能，核主泵的所有零部件的安全等级划分必须遵循《压水堆核电厂物项分级》（GB/T 17569—1998）的原则并兼顾设备规范书的要求，主要分为安全级和非安全级两类。安全级别的零部件主要指其损坏可直接或间接造成设备事故及具有防止或缓解事故功能的物项。安全级之外的其他零部件为非安全级，不会对核主泵产生事故影响。通常，将安全等级分为 SC1，SC2，SC3，NC 4 个等级。

3.1 安全分级的定义

核主泵材料清单详细规定了对每个零件的安全分级，定义原则为：

（1）SC1级：按ASME规范第Ⅲ卷，第1册，NB分卷，1级部件，适用于承压边界及相关连接件和支承。

（2）SC2级：按ASME规范第Ⅲ卷，第1册，NC分卷，2级部件。

（3）SC3级：按ASME规范第Ⅲ卷，第1册，ND分卷，3级部件，适用于与处理反应堆冷却剂的系统（如：WCC系统）相连接的设备。

（4）NC级：按ASME规范第Ⅷ卷。

3.2 安全等级的划分

3.2.1 SC1级

（1）承压边界及与其连接的紧固件（见图2）：泵壳、泵盖、密封室、密封室盖、密封前测温件、主螺栓、主螺母、密封室螺栓、密封室螺母等。

图2 承压边界Fig.2 Pressure-retaining boundary

（2）与承压边界连接的辅助管路及其支承（见图3）：密封注入水系统、高压泄漏管、低压泄漏管、密封前测压管、氮气管、上述管路连接阀门、高压冷却器、旋液分离器等。

图3 辅助管路及支承Fig.3 Auxiliary pipes and supports

（3）与承压边界连接的支撑件：上电机支座、下电机支座等。

（4）合同规定的重要功能部件：叶轮、导叶体、下泵轴、上半联轴器、下半联轴器、中间轴、支撑盘等。

3.2.2 SC2级

无设备划为SC2级。

3.2.3 SC3级

WCC系统相关的设备：如：油冷却器及其冷却水管路。

3.2.4 NC级

（1）不属于 SC1，SC2，SC3的零部件。

（2）与主回路介质接触并传递力或力矩的非承压零件，如：叶轮螺栓、叶轮螺母、定心块等。

（3）不属于承压边界的轴系部件：如：导向键、定位销、旋转弹簧活塞、甩油环、推力盘等。

（4）用于承压边界的主轴密封，如：机械密封、密封套筒、导环、外环、节流管等。

（5）不属于承压边界的轴系紧固件，如：缩腰螺栓、螺帽等。

（6）与介质接触或承担相应功能的泵内部组件：水导轴承、上下隔热体、上下支撑管、内外折流管、碟簧、活塞环、检修密封等。

（7）其它未在规定范围内的零件：推力轴承、标准件、测量元件、油泵及其支撑等。

4 质保等级与安全等级的关系

质保等级充分考虑了安全等级的要求，并结合零部件的复杂性和成熟性，对核主泵的设计、制造和安装等不同阶段提出的控制要求。安全等级主要是应用确定论方法并结合实际工程应用经验，对那些安全上重要的并且损坏可能导致反应堆停堆或辐射污染提出的要求。两者之间的着重点不一致。质保等级本质是保证产品的质量，提高设备的可靠性和使用寿命，而安全性则是着重部件是否执行安全功能，并用来评估对事故造成的影响，安全级越高，造价成本也相对较高。通过前面概述的两者的划分原则对比，可以确定质保等级不低于安全等级，如图4所示。