三代核電站循環水泵輪轂靜平衡方法分析

孫鵬

摘 要

三代核電AP1000循環水泵采用動葉可調立式金屬混流泵，在國內核電廠尚屬首次應用，沒有成熟檢修經驗。筆者對循環水泵輪轂靜平衡試驗方法進行比較、分析，對測桿法作了重點介紹，力求為后續類似形式循環水泵自主檢修積累更多經驗。

關鍵詞

循環水泵;輪轂;靜平衡;測桿法

中圖分類號： H02K17/16 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 66

0 引言

循環水泵（簡稱：循泵）是循環水系統的心臟，作為海水輸送的動力源，是核電廠的關鍵設備，制造和檢修過程必須得到足夠重視。三代核電采用的立式金屬混流循泵在日本核電廠有三十年的良好使用業績和運行經驗，但在國內核電廠尚屬首次應用，缺少制造、檢修技術積累。

本文以某核電循泵的輪轂結構為例進行分析，選用日本三菱供貨的動葉可調式混流循泵，在制造、檢修與傳統的循泵存在較大的差異[1]。其輪轂內部結構復雜，制造或檢修后不平衡量過大可能引發循泵在工作狀態劇烈振動。根據日本三菱循泵運行維護要求，當進行輪轂葉片更換時，需要對整個輪轂組件進行靜平衡，如返廠進行維修后靜平衡試驗，將面臨廠外運輸周期長、運輸過程不可預知損壞風險、費用高等問題，因此，有必要分析研究可在現場實施的輪轂靜平衡技術。

1 循泵結構概況

AP1000循泵為立式、單級、浸沒式混流泵，泵體由喇叭口，碗狀出口管、柱狀接管、出口彎管、軸、葉片及導向軸承等主要部件組成[2]。具有流量大（139800m3/h），電機功率大（7700kW），轉速低（163.3rpm），運行維護成本較高等特點。由于循泵的轉速較低，精度要求不高，因此輪轂組件不進行動平衡試驗，僅進行靜平衡試驗。

2 輪轂組件結構

輪轂組件主要由6個葉片、輪轂及導水錐組成，輪轂內有葉片調節機構。輪轂組件為開式葉輪，單級單吸。輪轂連帶葉片及調節機構整體質量為16噸，最大外徑將近3.4m，軸向長度為2.1m，許用不平衡量（g）=3.17×重量（g）/轉速（r/min）/半徑（cm），該平衡精度為制造廠日本三菱標準。

3 輪轂靜平衡試驗方法分析

輪轂靜平衡試驗是輪轂制造和檢修中的重要技術，通過靜平衡消除不平衡力矩，確保核電機組安全穩定運行。AP1000循泵輪轂由于葉片角度可調，靜平衡試驗時需保證葉片全角度范圍的靜平衡均滿足要求，技術要求較高。

3.1 輪轂靜平衡基本步驟如下

（1）對輪轂進行靜平衡試驗。

（2）對6個葉片進行稱重。

（3）根據上述兩個步驟的結果，合理布置葉片裝配的位置，以求輪轂和葉片的不平衡都夠相互抵消一部分，達到較好的整體的靜平衡狀況。

（4）裝配好葉片后，對輪轂組件整體進行靜平衡試驗。

3.2 輪轂整體靜平衡試驗方法

目前國內常用的轉子靜平衡方法主要有鋼球鏡面式、靜壓油支撐式、三點承重式和測桿法靜平衡。

3.2.1 鋼球鏡面式

根據國家標準，可分為臥式靜平衡和立式靜平衡。臥式靜平衡試驗一般適用于直徑小于1.4m的混流式轉輪，本文不做討論。

立式靜平衡，采用鋼球在水平鏡面上或凹球面上滾擺的方法。將被測對象置于一鋼球上，觀察被測對象重心相對于幾何中心線的偏移方向和偏移量，而后給予消除和糾正。特點是結構簡單，工藝成熟，在被測對象質量較小時精度較高;缺點是要求輪轂重心必須低于鋼球中心，否則就會存在傾翻的危險，且占用空間較大，測量周期長，關鍵部件易受損害。當被測對象質量較重時，接觸點應力和靜摩擦力較高，帶來了系統誤差，使測量精度降低。

3.2.2 靜壓油支撐式

靜油壓平衡法是改進型的鋼球平衡法，原理步驟均基本相同，區別在于在鋼球和平衡鏡面之間用高壓油膜作為隔離層，并能自由擺動。相比鋼球鏡面法達到了降低摩擦系數和提高靈敏度的效果，但缺點是裝備投資費用大且研發制造耗時長，仍未解決傾覆危險，裝置龐大，且存在技術專利限制。一般適用于重量200T以上的大型轉子。

3.2.3 三點稱重式

此方法首次應用于2006年，原理完全不同于鋼球鏡面式，屬于機電一體化裝置，一般包括被測對象、稱重平臺、稱重傳感器。其原理是將三個同型號傳感器置于120°間隔的圓周三點上，被測對象中心與圓心同心，通過傳感器電壓信號測量轉子的不平衡量，根據里的分解與合成，計算出成被測工件的重量，找到在水平面上不平衡量的投影位置與大小，并計算出加重或者去重的重量和位置。

此方法存在原理誤差，使用的大量程稱重傳感器很大的制約了測量精度：受傳感器精度、信號變送器精度、傳感器離散度、傳感器布置精度的影響。還需在工作水平面精確調平，水平面加工質量要求高，對操作人員的要求較高。其系統復雜程度較其他方案高、經濟性不如其他方案，目前應用較少。

3.3.4 測桿法

測桿法也稱應力棒式靜平衡法，是國際先進的靜平衡技術之一，加拿大GE公司2009年最先采用此技術，已證明測桿應變法的平衡精度高于鋼球平衡精度。

測桿應變法平衡原理是在平衡支柱的頂端放置測桿（即貼有應變片的應力棒），測桿上部放置托板，轉輪放在托板上或與托板機械把合連接，平衡時，轉輪不平衡量將由托板傳遞給測桿一彎曲力，測桿變形，貼附的應變片也產生變形，如圖1所示。依據應力-應變原理，用應變儀測出測桿彎曲應力的數值及方位，通過增減轉輪重量來消除不平衡。結構相對簡化，造價大幅降低，并在結構上排除了接觸點高應力/摩擦力等不利因素。

3.3 輪轂靜平衡方法比較和選用

（1）鋼球鏡面式占用空間較大、關鍵部件易受損害、存在固有傾覆風險。

（2）靜壓油支撐式裝置復雜、開發周期長、成本高、且未解決傾覆風險，存在技術專利限制。

（3）三點承重式系統復雜、成本高、對操作者要求高，工藝成熟性不高，目前較少應用。

（4）測桿法基本可有效避免上述問題，具有平衡技術先進、精度高，操作簡便，造價低等特點。

考慮前三種方法的局限性，某電廠選用測桿法最為輪轂靜平衡實施方法。

3.4 某核電測桿式輪轂靜平衡方法特點分析

（1）考慮消除測桿壓縮應力影響并記錄各方位應變情況，測桿上4個方向應變片互成90°布置。

（2）根據輪轂結構特點，將葉輪倒裝放置，使葉輪重心降低，提高自身穩定性，同時液壓千斤頂支撐在大平面，使系統更可靠。

（3）輪轂是關鍵部件，需要防傾覆措施：由4個液壓千斤頂和4個等高支撐塊構成，即便出現傾覆也能被等高支撐塊支撐。

（4）設計好測桿是保證平衡成功的關鍵，測桿直徑太大會影響應力應變的測量精度，太小無法支撐輪轂近16T重量。測桿應選用高強度合金鋼并進行無損檢測，并通過ANSYS軟件進行有限元分析設計，不斷調整優化。

3.5 提高輪轂測桿法靜平衡精度的措施

如應變片本身出廠誤差高，加上安裝、信號采集、轉換、計算等過程產生的誤差，整個靜平衡試驗將積累很大的誤差，因此需從以下方面分析提高測量精度的方法：

（1）采用較高精度的應變片（±0.02%fso），并由專業計量機構進行第三方驗證。

（2）從粗平衡到精平衡需進行若干次，應變片反復使用，應在配重塊固定前，頂起輪轂，使應力棒不負重，減少殘余應力。

（3）采用濾波信號處理，抑制和濾除高頻干擾信號，精確測量應變信號。

（4）為減少溫度對測量影響，電路中增加溫敏電阻。

（5）信號采集/轉換裝置也應有較高精度;

（6）正式測量前考慮模擬測試理論分析，測桿法綜合精度可以達到±2.5%。

4 結論

通過對循泵輪轂靜平衡方法對比分析可知，測桿法結構簡單，技術先進，測量精度高，可行性高。測桿法的合理應用，可以有效避免異形件輪轂的傾覆風險，預計可取得較好的測量精度和經濟性。鑒于測量裝置、應變片的固有誤差，這一循泵輪轂靜平衡方法選用還有待核電廠長期運行的檢驗以進行反饋優化。

參考文獻

[1]顧軍.AP1000核電廠系統與設備，北京：原子能出版社，2010.

[2]廖長城.AP1000循環水泵葉片角度調節原理及調試方法淺析，華電技術，2013，35（11）：58-63.