核電廠汽動輔助給水泵飛錘拒動問題分析及處理

中廣核核電運營有限公司 呂慶舉

輔助給水系統（ASG）作為核電廠重要專設安全系統之一，對核電廠安全穩定運行起到至關重要的作用。ASG 汽動泵超速試驗作為核電廠高風險活動之一，驗證ASG 汽動泵可用性、保證ASG 汽動泵在發生異常狀況轉速飛升超出正常運行范圍時能及時自動打閘停機，防止汽動泵超轉速飛車和泵出口管道超壓。試驗中汽動泵出現飛錘拒動現象有導致泵組超速飛車的風險，本文分析了導致該問題的原因并改進。

1 系統及設備簡介

核電廠ASG 系統屬于專設核安全設施之一，設有2臺電動輔助給水泵，2臺汽動輔助給水泵。其主要安全作用是在主給水系統的任何一個環節發生故障時，ASG 系統作為應急手段向蒸汽發生器二次側供水，排出堆芯余熱，直到堆芯余熱系統（RRA）允許投入運行為止，或反應堆正常啟停過程中特定模式時代替主給水系統向蒸汽發生器供水，導出堆芯余熱最終實現安全功能[1]。

ASG 汽動泵超速保護裝置設置有電磁超速保護和機械超速保護。機械超速保護裝置由離心飛錘、角接閥、打閘機構等部件組成，超速定值范圍為9675～9850r/min，定值通過汽動泵超速試驗驗證，當ASG 汽動泵轉速高于飛錘螺母設定值，飛錘在離心力作用下飛出軸面、打擊壓板，壓板脫出復位桿，角接閥密封面打開，破壞主汽門閥芯平衡力，閥芯活塞背部蒸汽沿汽側平衡管排放至大氣，主汽門失去閥芯背部平衡力，在蒸汽壓力面積差的作用下關閉，汽動泵停運，機械脫扣示意圖如圖1所示。若超速試驗不合格，需對飛錘的重心進行調整[2]。

圖1 機械脫扣示意圖

2 原因分析及排查

在J 核電廠5號機組第1次大修（J501）熱態上行期間，執行J5ASG004PO 汽動泵機械超速試驗，發現超速定值不合格，經過11次調整仍無法合格，最終確認轉速在8750～9930r/min 之間飛錘出現拒動現象，無法機械跳閘。通過在線更換廠家舊型號飛錘備件重新執行機械超速試驗，超速跳閘值為9820r/min，試驗合格。

2.1 設計制造及安裝調試

拆卸J5ASG004PO 在役飛錘組件，發現飛錘封頭密封焊位置存在2個軸向對稱180°凹坑，根據廠家答復，凹坑為改進型飛錘所增加的水槽，即屬于改進型新產品（圖2）。經查詢資料及咨詢廠家，舊型號飛錘與改進型飛錘制造工藝及特點對比如下：

圖2 改進型飛錘水槽開口位置

舊型號飛錘制造工藝：加工飛錘零部件、組裝、安裝O 形密封圈臨時封堵密封、試驗臺進行打擊試驗，若打擊試驗數據不合格進行研磨封頭端面調整質心直至試驗合格、拆除臨時O 形圈、真空電子束焊接封頭、再次進行打擊試驗，驗證動作值合格、產品交付；改進型飛錘制造工藝：加工飛錘零部件、組裝、安裝O 型密封圈封堵密封、試驗臺進行打擊試驗，若打擊試驗數據不合格進行研磨封頭端面調整質心直至試驗合格、鉚接封頭、產品交付。

兩者制造差異在于封頭密封形式不同，舊型號飛錘直接焊死密封，而改進型飛錘采用O 形圈密封和鉚接防松。真空電子束焊接優點在于密封牢靠、持久耐用、不使用焊條，缺點在于焊接合格率低，焊接過程易出現裂紋；O 形圈密封和鉚接防松工藝優點在于制造工藝簡單、可操作性強、產品合格率高，缺點在于O 形圈易受外部環境和安裝條件影響導致其失效，且O 形圈為橡膠制品、壽命短，鉚接對技術人員技能要求高，易產生鉚接不牢固松動現象。從飛錘組件制造工藝及廠家澄清分析判斷，改進型飛錘易受外部環境和安裝條件影響導致其失效；從設備部件重要性來講，飛錘是設備的核心部件，工藝的改進忽略其密封持久性和產品壽命。

查詢J5ASG004PO 汽動泵制造完工報告及調試跟蹤報告，機械超速脫扣試驗數據滿足要求，一次合格，未作調整：機械脫扣值9758r·min-1，電磁脫扣值9345r·min-1。

2.2 設備維護

該電廠5號機組商運以來，J5ASG004PO 汽動泵已安全運行一個燃料循環，運行期間參數合格、未見異常。J501大修J5ASG004PO 汽動泵執行預防性年檢、糾正性維修項目，不涉及飛錘組件解體及飛錘更換工作；在泵軸反饋擴檢項目中，對飛錘進行目視檢查未見異常。針對設備維護項目，主要從試驗調整過程、飛錘整體拆檢情況、離線試驗情況、飛錘內部組件拆檢情況4個方面展開分析。

2.2.1 試驗調整過程

在線執行ASG 汽動泵機械超速試驗，驗證機械脫扣保護動作值是否滿足驗收標準。如超出標準，打開中間水室蓋板在線調整飛錘，調整完成后重新執行試驗驗證，反復執行調整、驗證，直至機械脫扣保護動作值滿足要求。根據首次啟泵驗證試驗數據，結合飛錘動作原理、飛錘調整量對應轉速關系，確定每次調整方案，現場實施調整。

J501大修J5ASG004PO 汽動泵共計執行9次機械飛錘調整，前6次屬于機械超速試驗飛錘正常工藝調整過程；后3次調整屬于機械飛錘故障查找做出的調整，從第7次和第8次調整后發現飛錘可調節量區間非常小，基本判定飛錘本身故障，通過第9次調整驗證飛錘自身故障，故決策更換飛錘，共計執行13次超速試驗。其中0～9次飛錘在線調整的調整量（mm）、脫扣動作轉速（r·min-1）、調整方向分別為：NA、10050、NA；6、10120、順時針；5、9950、順時針；6、8240/8400、順時針；4.5、8750、逆時針；5.5、10140、逆時針；2.5、10220、順時針；3、8590、順時針；1、9930、逆時針；0.5、8590、順時針。J501大修J5ASG004PO 機械超速試驗調整方案、調整過程、飛錘故障點確認屬于合理正常過程，滿足規程要求。

2.2.2 飛錘組整體拆檢情況

在線對飛錘組件進行拆檢，發現飛錘本體、外彈簧和調整旋塞表面均存在許多粉末狀污垢，飛錘打擊頭部圓弧過渡處存在輕微磨痕（圖3）。對比測量新舊飛錘與固定旋塞配合直徑、與調整旋塞配合直徑，數據吻合度在加工偏差要求范圍之內，重量幾乎一致；對比新舊飛錘外彈簧，尺寸一致；檢查彈簧垂直度良好，無偏斜和變形現象。飛錘外觀尺寸示意圖如圖4。新舊飛錘對比數據：調整端外徑A（mm）23.56/23.56、 固 定 端 外 徑B（mm）23.54/23.55、飛錘總長度L（mm）95.21/95.14、飛錘質量（m/g）275.01/276.72、飛錘本體錐面最大跳動度0.01mm。

圖3 飛錘解體情況

圖4 飛錘外觀尺寸示意圖

從飛錘整體拆檢情況分析，粉末狀的污垢均在非配合區域，使用威第爾即可清理，飛錘頭部磨痕輕微，手摸無觸感，與飛錘頭部配合部位的固定旋塞為鉛青銅，比飛錘頭部材質軟，故磨痕和污垢產生的阻力有限，對飛錘動作過程影響甚微。新飛錘回裝后動作正常，且新舊飛錘組件（含彈簧）尺寸均無異常，對比驗證加工尺寸偏差對飛錘動作無影響，排除加工偏差影響。

2.2.3 離線試驗情況

對舊飛錘與舊彈簧進行打擊試驗驗證，試驗結果表明：飛錘在轉速大于9052r/min 且升速至試驗臺變頻電機最高轉速9900r/min 過程中，飛錘產生拒動現象（表1）。表1中“不跳”是指將轉速從0升高至試驗臺最高轉速9900r/min 飛錘不動作，“-”是指飛錘打擊頭部低于泵軸表面。試驗臺數據趨勢現象與現場調整現象完全吻合，進而證明飛錘已發生故障，導致在特定區間無法動作。

表1 飛錘試驗臺離線數據

2.2.4 飛錘內部組件拆檢情況

對飛錘封頭檢查發現，封頭沿圓周方向有輕微旋轉，說明水槽處鉚點松動，打磨鉚點、拆除封頭，發現飛錘內部已進水，在飛錘非打擊端封頭處進水量約1.5g，飛錘內彈簧輕微變形，向中間彎曲，封頭O 形密封圈表面存在輕微變形，其他部件檢查未見異常（圖5）。清理飛錘內部進水，更換新O 形密封圈，重新組裝飛錘并安裝在試驗臺進行打擊試驗，飛錘能夠在9000r/min 以上跳閘，跳閘數據穩定，打擊試驗完成后再次解體飛錘，內部未進水，O 形密封圈密封良好，從而證明進水是導致飛錘在9052r/min 以上無法動作的原因，排除內彈簧彎曲的影響。舊飛錘重新組裝后3次試驗的飛錘定位距離（mm）、試驗臺跳閘轉速（r·min-1）分別為：-0.24、9236/9133/9232；-0.25、9280/9287；-0.31、9681/9685。從飛錘內部組件拆檢情況和試驗數據得出，進水導致整體飛錘質心無法越過泵軸軸線，打擊壓板，造成機械脫扣保護值多次調整不合格。

圖5 飛錘內部解體情況

圖6 飛錘重心測量示意圖

結論：飛錘拒動的根本原因為廠家改進型飛錘制造工藝和密封形式的改進方案存在不足，飛錘O形密封圈失效，導致飛錘內部進水。

3 處理措施及工藝改進

處理措施：J5ASG004PO 在線更換舊型號飛錘，重新執行汽動泵超速試驗驗證，試驗數據合格。同時根據反饋對內部36臺泵組排查，確認僅有J 電廠5、6號機組4臺泵組安裝有相同飛錘。J5號機組在首次大修期間已完成更換，J6號機組首次大修大修完成J6號機組2臺泵組更換，全部處理合格。

工藝改進：通過對庫存飛錘備件進行離線試驗驗證，發現庫存1個飛錘備件（94號）存在定值漂移，在飛錘頭部距離泵軸表面0.01mm 高度差時，飛錘超速定值在9933～9566r/min 間波動，最大波動值為367r/min，超出飛錘設計偏差175r/min 和最大容差值330r/min，其他另外2個飛錘備件無異常（表2）。對飛錘封頭進行熔蠟檢查檢查工藝，將石蠟進行加熱融化至液體狀態，將飛錘放入石蠟溶液中，觀察封頭焊縫是否有石蠟結晶，如有說明焊縫密封不嚴。

表2 庫存備件飛錘離線試驗結果

對已完成4個飛錘離線臺打擊試驗數據及與之對應26組飛錘重心測量數據對比，累計執行超速試驗110次，從試驗數據可發現如下規律：飛錘重心定位尺寸變化0.01mm 對應產生轉速變化量約60～80r/min；飛錘在試驗臺初始安裝值與打擊完成后真實安裝值相差最大|r|≤0.03mm，且打擊后真實安裝值均小于初始安裝值；飛錘在試驗臺和現場設備轉子上相同重心定位尺寸，試驗臺跳閘值比現場跳閘值小300～400r/min。以上3點經驗數據的得出能夠為現場飛錘拆卸安裝、更換及調整提供寶貴經驗值，大大提高超速試驗一次合格率。

通過檢修狀態下單一測量ΔL 的距離（ΔL=│A-B │)判斷飛錘重心的變化，通過收集多基地單臺泵某一大修該數值ΔL，且本次大修機械超速試驗合格，可在下輪大修測量該數據ΔL 與上輪大修比對是否發生變化，若無變化機械超速試驗合格（圖6）。推廣使用該工藝方法完成多基地各泵組合格超速定值對應的飛錘定位尺寸收集，并繪制成標準對比表，在大修年檢或全檢窗口只需測量飛錘重心定位尺寸與此表比對，提前判斷超速試驗定值合格與否，若是定位尺寸出現較大變化可按照歷史數據提前調整飛錘，避免超速試驗窗口調整，耽誤關鍵路徑時間。

4 結語

J5號機組ASG 汽動泵飛錘拒動問題的處理及工藝改進已應用于群廠多基地同類型號泵組，該問題的處理從根本上避免了廠家對飛錘封頭密封形式設計存在的不足，提高了設備可靠性。同時維修工藝的改進提高了維修效率，提前識別并檢驗庫存備件是否合格，以及在檢修狀態下識別超速試驗定值合格與否，大大提高了熱態超速試驗一次合格率，節約大修關鍵路徑時間。