三代压水堆核主泵关键部件制造及工艺研究进展

核主泵作为反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备,其正常运行对于整个核电站的安全至关重要.长期以来,核主泵制造的安全性与可靠性一直是中国核电技术发展的“卡脖子”难题.近年来,得益于国家对核电技术基础研究的大力投入,以及依托重大课题项目的推进,中国三代压水堆核主泵国产化进程在各个方面都取得了重大成果.文中从核主泵制造及工艺的角度,深入剖析叶轮、泵壳、定子、转子、屏蔽套、密封、轴承等关键部件的发展历程,并针对各部件的材料选择、加工、装配工艺、检测方法及技术体系等进行详细分析,总结了中国核主泵的制造进度及难点.最后,结合当前核主泵制造的现状,提出中国核主泵制造发展的相关建议,这对中国核电事业的国产化进程具有重要意义.

核主泵口环密封动力学特性数值研究

为了研究口环密封对核主泵转子动力学特性的影响,本文以“华龙一号”核主泵密封口环为研究对象,应用转子动力学理论,建立小扰动模型下的涡动转子动力学方程,基于CFD准稳态方法,对密封间隙域内部流场进行数值模拟,探究转速、压差及口环结构对转子动力学特性以其稳定性的影响。结果表明:转速和压差越大,涡动比对密封力的影响效果越显著,刚度系数、阻尼系数的绝对值呈增大趋势,转速对交叉刚度系数和交叉阻尼系数影响显著,平面密封和迷宫密封交叉刚度系数分别增加了6.92倍和4.13倍,交叉阻尼系数分别增加了15.4倍和6.25倍;压差对直接刚度系数影响明显,平面密封与迷宫密封直接刚度系数分别增加了6.2倍和9.1倍。同时迷宫密封对应的涡动系数Ω_(f)小于平面密封,稳定性优于平面密封结构。

AP1000屏蔽主泵上部C形密封环内残液疏排装置设计

在AP1000屏蔽主泵整体拆除过程中,需要切割上部C形密封环,但由于密封环内有一回路内的放射性液体无法疏排,会造成切割人员和设备沾污。基于此,分析上部C形密封环内残液疏排的难点,设计一种有效的疏排装置,为在核电大型屏蔽主泵整体拆除时避免沾污提供一种可行的解决方案。

核主泵用流体静压型机械密封性能的影响因素研究

以核主泵(Reactor coolant pumps,RCP)用流体静压型机械密封(Hydrostatic mechanical seal,HS-MS)为研究对象,考虑辅助密封圈的影响,采用MSC Marc有限元软件建立完整的动环组件非线性二维轴对称有限元模型,给出合理的动环简化边界约束条件;在此基础上,考虑密封端面间流体薄膜中液体的黏温与黏压效应,建立核主泵用流体静压型机械密封的多场耦合数值模型,采用有限差分法对Reynolds方程、能量方程、热传导方程等控制方程进行耦合求解,利用有限元法计算密封环端面热力变形,综合分析螺钉预紧力和O形圈位置对密封性能的影响。结果表明:合理的密封环约束边界简化模型对分析和设计流体静压型机械密封至关重要;螺钉预紧力和O形圈位置对密封性能影响显著。预紧力增大使开启力增大,泄漏率也变大;O形圈位置靠近外径时密封稳定性下降。

核主泵用斜波纹面型密封环超精密磨削方法

提出基于三轴联动杯形砂轮线接触磨削原理的核主泵用斜波纹面型密封环加工方法,它采用一个工件轴、一个摆动轴、一个直线轴、一个砂轮轴和一个宽度较窄的杯形砂轮。其原理为选择适当的砂轮半径、砂轮倾斜角度和砂轮轴线与摆动轴线交点到密封坝面中心距离使磨削接触弧线是斜波纹面上且以其内、外周边为边界的一条曲线的精确逼近,联动控制工件轴、摆动轴和直线轴的运动使磨削接触弧线两端点分别在斜波纹面内外周边上进而通过磨削接触弧线扫掠运动形成高精度斜波纹面,在砂轮轴与工件轴平行时磨削密封坝面。其优点是砂轮端面形状不变化,不存在砂轮修形和形状测量难题,砂轮端面磨损对斜波纹面面形精度的影响可以忽略,能够实现核主泵用斜波纹面型密封环的高面形精度、低表面粗糙度加工。

核主泵用流体动压型机械密封耦合模型与性能分析

以某型核主泵用流体动压型机械密封为对象,考虑密封环组件的接触和密封端面的流固耦合作用,建立了密封组件三维多场耦合模型,结合有限差分法和有限单元法,采用数值迭代技术进行了耦合场的计算.研究了高压下密封端面变形的特点和规律,分析了密封压力对密封性能的影响作用.结果表明:密封环端面产生径向收敛锥度和周向波度,高压侧密封深槽对密封端面周向波度的生成起重要作用,密封端面锥度的形成与密封环宏观结构密切相关.随密封压力的增大,密封端面收敛锥度和波度均增大,密封泄漏率增加,而端面摩擦系数减小.为在高压下形成较大的波度,建议将动压深槽加工在软质密封环端面上.

核主泵用流体动压密封环复杂形面超精密磨削

提出采用回转台带动密封环回转和杯形砂轮端面切入磨削来加工核主泵用流体动压密封环复杂形面新方法,其原理为选择适当的砂轮半径、砂轮俯仰角、砂轮侧偏角、砂轮与回转台中心距使磨削接触弧线是密封环波纹面上且以其内、外周边为边界的一条曲线的精确逼近,联动控制回转台转动和砂轮或回转台的同步跟随运动使磨削接触弧线一端点在波纹面外周边上进而通过磨削接触弧线扫掠运动形成高精度波纹面,在砂轮轴线与回转台轴线平行时磨削密封坝面。其实现策略是采用细粒度金刚石杯形砂轮做恒定切削深度微进给切入磨削。其优点是砂轮磨损对磨削精度没有影响,面形精度取决于回转台的回转运动和砂轮或回转台的同步跟随运动精度,能够实现核主泵用流体动压密封环复杂形面的高面形精度、低表面粗糙度加工。

秦山核电二期工程主泵轴密封及保障其完整性而采取的措施

本文介绍了秦山核电二期工程反应堆冷却剂泵(简称主泵)轴密封的功能、特点、流程、测量、危急运行、故障分析以及保证轴密封完整性而采取的措施。这些措施包括配备应急柴油发电机、配备气轮机驱动的水压试验泵、采用耐288℃高温的O形圈。

核主泵用流体静压密封环圆锥面高精度磨削实现策略

针对核主泵用流体静压密封环圆锥面高精度磨削难题,建立了由杯形砂轮端面切入式磨削的数学模型,提出将磨削面形误差分解为倾角误差和锥度误差并以此求解俯仰角和侧偏角取值范围的实现策略.以1个氦光带作为面形误差的评价指标时,发现俯仰角和侧偏角可在较大范围内取值,先粗略设定俯仰角和侧偏角中的任意一个,再精确调整另一倾角就能实现密封环圆锥面的高精度磨削,并且侧偏角比俯仰角对面形误差的影响更为敏感,先调整侧偏角再调整俯仰角有利于降低调整难度和提高调整精度.采用该磨削实现策略,选择两组不同的俯仰角和侧偏角加工密封环圆锥面,测量结果表明面形误差和表面粗糙度均在设计要求范围内.

核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密磨削

提出采用工件旋转杯形砂轮切入磨削原理来加工核主泵用流体静压密封环圆锥面新方法,对密封环圆锥面的径向轮廓误差随砂轮半径、回转台与砂轮中心距,砂轮俯仰角、砂轮侧偏角的变化规律进行深入分析,发现选择适当的机床结构参数,采用工件旋转杯形砂轮切入磨削原理加工核主泵用流体静压密封环圆锥面时,由磨削原理引入的径向轮廓误差极小,为纳米量级。根据最小径向轮廓误差和最小磨削接触弧长原则确定了核主泵用流体静压密封环圆锥面的超精密磨削实现策略。在工件旋转杯形砂轮切入磨削机床上实现了核主泵用碳化硅密封环圆锥面的高精度、低表面粗糙度磨削,测得周向跳动、径向轮廓误差和表面粗糙度Ra分别为0.16μm、0.15μm和3 nm。

核电站一回路用机械密封

机械密封在各类核电站的一回路中有大量应用.核电站一回路用机械密封是核电站的关键部件之一,其性能好坏很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行.本文以几种具有代表性的核电站反应堆堆型为例,对其一回路用机械密封进行了介绍,这些反应堆分别以水、氦气和液态金属为冷却剂并跨越第二代到第四代核电技术.首先介绍了压水堆核主泵机械密封,分别叙述了美式风格的流体静压型核主泵密封及欧式风格的流体动压型核主泵密封的结构特点、工作原理和最新的基础研究状况;随后介绍了高温气冷堆氦气轮机/氦气风机干气密封的结构特点、使用要求及相应的针对性设计;最后介绍了钠冷快堆钠泵机械密封,包括1种惰性气体缓冲、油膜润滑的三级串联式机械密封和1种直接以液态金属润滑的螺旋槽式机械密封.

镶嵌式直线深槽流体动压型机械密封性能研究

以端面开有直线深槽的镶嵌式密封结构为分析对象,建立了密封环与润滑液膜间的流固力耦合模型,采用有限差分和有限元法分别求解润滑方程和变形方程,研究了密封压力和转速对润滑液膜的影响规律,分析了操作参数对密封性能的影响。研究结果表明,由于直线深槽作用,密封端面形成了一定的波度和锥度,波度随着压力的升高而变大,但锥度增幅不是很明显,而对波度的变化影响较大。密封端面的波度和锥度随转速的变化不大。密封压力升高时,密封端面间的泄漏率增大,摩擦系数相应地减小;密封转速增大时,密封端面间的泄漏率变化不是很明显,而摩擦系数相应的增大。

核主泵密封装置试验研究

核主泵密封装置的试验研究是研究开发核主泵密封的重要手段之一。该文针对自主研发的核主泵密封装置中的第2级流体动压式密封的结构型式,开展了密封端面槽型比对试验、单级密封强化运转试验以及整机密封的长周期试验等研究。长周期性能试验结果表明所研制的密封装置运行平稳,密封性能良好,性能指标达到预期目标,为今后进一步深入研究核主泵密封装置打下了良好的基础。

核主泵用流体静压型机械密封耦合模型与性能分析

采用商业有限元软件建立了核主冷泵用流体静压型机械密封动、静环组件的非线性二维轴对称有限元模型,通过对接触状态的分析给出了合理的动、静环简化边界约束条件,基于此建立了热弹耦合数值模型,对雷诺方程、能量方程、热传导方程进行耦合求解,证明了所建立模型的正确性,并对静环端面尺寸参数进行了优化设计。为保证良好的稳态密封性能,计算结果推荐静环端面的锥角在300～350μrad范围内选择,台阶半径Rm在0.120～0.125m范围内取值。

一回路主循环钠泵机械密封热流耦合分析

为了设计、优化钠泵机械密封性能,以满足各种工况需求,首先回顾了钠泵机械密封的应用环境及工况条件。提出对钠泵机械密封摩擦副开展流固热耦合分析,以便预测钠泵机械密封在运转过程中的性能表现,指导钠泵机械密封设计和结构优化。然后,开展了基于共轭传热的内循环流场和温度场分析,对钠泵的冷却系统提供了参考。温度场计算分析结果表明方案设计能满足密封长期运行过程中总体热量输入输出达到平衡,能够满足温度控制要求。同时,检验了泵送结构能否有效带走端面热量并与外部冷却水进行热交换。以断水3 min及72 h为例,通过产品在恶劣工况下的运行形态,分析其危险结构部分,以便指导工作人员安全操作及注意事项。结果表明钠泵机械密封发热功率为6472 W,正常工况和断水工况的最高温度均能在材料耐受范围内达到平衡。

核主泵静压轴封极限工况下运行可靠性研究

核电厂一回路主泵静压轴封现场运行期间,多次出现超出厂家运行技术要求的工况,由于缺乏主泵静压轴封运行参数影响机理研究,严重制约着轴封极限运行工况下的可靠性分析和评价。依托CPR1000核电机组100型核主泵双锥角静压轴封,提出一种流固耦合分析数值模型,系统阐述了极低压差、极限温度、内外锥角等关键因素对密封泄漏特性的影响机理。通过对极限工况运行可靠性进行研究,提出极限运行工况建议值,即压差不低于0.6 MPa,极限注入温度不高于100℃。可以为现场核主泵静压轴封极限工况下运行可靠性评价提供量化参考和指导。

核电厂丧失全部应急交流电事件的处理对策

压水堆核电厂一旦丧失全部应急交流电，除丧失堆芯衰变热载出的应急能力外，还会伴随发生反应堆冷却剂系的密封泄漏，最终可能导致堆芯裸露和熔化。本文简略地介绍了该事件的成因和严重后果，以及为解决该事件美国和法国在核电厂系统设计上所采用的补救措施和在事故中所使用的应急规程。最后，结合我国的实际情况提出了我们的对策。

屏蔽主泵Canopy密封环自动焊接技术研究

为了降低作业人员在AP1000机组屏蔽主泵在役检修拆装过程中的辐照剂量,研究了与实际作业工序相同的Canopy密封环自动焊接工艺,开发了可远程控制、对称施焊的自动焊接装置,并在模拟体上进行了焊接试验。试验结果表明,在优化的焊接参数下,Canopy密封环打底焊成形良好,多层多道焊缝无层间未熔合等缺陷,起弧、收弧过渡良好。该自动焊接装置结构紧凑,可实现模拟件的稳定焊接,焊接质量良好,能够满足屏蔽主泵在役检修更换时的自动焊接需求。

动压机械密封副结构与性能分析

本文以300MW核主泵双向推力轴承油密封副为研究对象,通过数值模拟分析、连续运转试验等方法,研究了各密封性能参数的相互影响以及密封面结构与密封性能的内在关系。通过对机械密封动、静环的受力变形分析,研究了密封端面变形与性能参数之间的联系。在考虑空化和不考虑空化两种情况下,分别对密封面进行了流场分析。阐述了影响泄漏量关键参数的取值方式。通过计算分析和连续运行试验验证,证明了该密封副结构变形小,应力分布合理,得出了泄漏量和开启力与密封副压差、动环端面流体浅槽深度的关系,密封泄漏量满足设备运行要求。

核主泵用流体动压型机械密封温度场的数值研究

考虑流体粘温效应,建立了典型核主泵用流体动压型机械密封三维稳态传热有限元模型。建立了由流体域及密封环组成的二维轴对称共轭传热有限元模型,计算了对流换热系数。在此基础上,采用有限元软件求解三维模型密封温度,分析了流体入口流速以及转速对密封端面温度的影响。结果表明:深槽结构导致开槽静环密封端面温度分布不均匀;流体入口速度几乎不影响温度分布;增大转速,密封端面温度显著升高。