Насосы С11АЭ,11МТ,11ТС / 11-МТ / 2.Ксерокопии книг / 03.Книга.ГЦН_АЭС

Уплотнение полости нагнетания от полости всасывания достигается уплотнительными кольцами. Вал ГЦН вращается на двух опорах. Нижней опорой 4 является ГСП, верхней

— сдвоенный роликовый подшипник, воспринимающий массу ротора. Смазка роликового подшипника — консистентная. Герметичность по валу обеспечивается двойным механическим уплотнением 2 с масляным гидрозатвором. Ремонт верхних узлов (подшипники, уплотнение вала по газу) проводится без разгерметизации контура за счет ремонтного уплотнения известной конструкции.

Пробки из листов стали и серпентинитового бетона с полостями для подачи охлаждающего газа выполняют роль биологической защиты. В качестве главного привода применен электродвигатель с переменной частотой вращения. Оптимизация проточной части ГЦН на подачу 25 000 м3/ч, напор 100 м и частоту вращения вала 375, 500, 750, 1000 и 1500 об/мин (табл. 8.4) показала, что для уменьшения габаритных размеров предпочтительнее вариант на 1500 об/мин. Но для этого необходимо поддерживать значительное давление газа в контуре, что ведет к существенному увеличению массы всей-установки, появляются трудности в уплотнении поворотных пробок реактора и т. п. Компромиссный вариант, вероятно, соответствует частоте 500 об/мин, так как дает удовлетворительные значения подпора и габаритных размеров проточной части. Для этого варианта можно рекомендовать и более совершенные проточные части. Конструкция, показанная на рис. 8.20, обладает небольшим сопротивлением всасывания и довольно высоким гидравлическим КПД. Недостаток конструкции — относительно сложный отвод рабочей среды от напорного коллектора. Проточная часть, показанная на рис. 8.21, лишена этого недостатка, но менее технологична. Вполне понятно, что предложенные проекты проточных частей ГЦН первого контура не являются исчерпывающими и возможны другие концепции в целях выбора рационального варианта для уменьшения ее габаритов, повышения кавитационных качеств и улучшения технологии изготовления.

351

8 . 4 . ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ

Рассмотренные проектные схемы циркуляционных ГЦН и их обслуживающих систем соответствуют предъявляемым требованиям и отличаются простотой, надежностью и легкостью обслуживания. Изготовление таких сложных сборок, как рабочие колеса для всех типов ГЦН, литых улиток, валов, направляющих аппаратов и т. п., ведется с высокой степенью точности и соблюдением существующих программ обеспечения качества энергетического оборудования.

При механической обработке деталей и сборок используются современные технические приемы. Например, для получения шероховатостей Ra 0,32 и Ra 0,16 на подшипниковых шейках валов, наплавленных стеллитом, в отечественных ГЦН используется торцовое шлифование чашечными абразивными кругами с зерном из эльбора и алмаза.

На станках с программным управлением освоена чистовая механическая обработка лопаток направляющих аппаратов, а также некоторых типов рабочих колес.

Прошли проверку временем технологические процессы сборки и разборки уникальных по габаритным размерам ГЦН реакторов БН, РБМК и ВВЭР с помощью простейших траверс и кранов. Практика показала, что весьма желательно, чтобы габаритные размеры механически обрабатываемых деталей ГЦН не превышали 2,5—3 м по диаметру и около 3 м по высоте.

Зарубежные насосостроительные фирмы ради экономии времени и средств на освоение АЭС и улучшения их показателей широко осуществляют закупку отдельных хорошо зарекомендовавших себя узлов. Так, заготовки проточных частей для ГЦН реактора PFR были поставлены швейцарской фирмой «Georg Fischer», славящейся высоким качеством и чистотой литья. Многие другие фирмы (например, чехословацкая SIGMA) также способны выполнять литые детали проточной части (рабочее колесо и направляющий аппарат) по выплавляемым моделям с высокой чистотой рабочих поверхностей, не требующие дальнейшей механической обработки.

Целый ряд фирм специализируется на экспорте уплотнений вращающихся валов

(«Burgmann», «Champlain» и др.).

Еще более распространенной формой коммерческих сделок являются лицензионные соглашения. Они дают покупателю право производства и реализации продукции, обеспечивают ему доступ к чертежам и техническим условиям разработчика, предусматривают помощь в налаживании производства.

352

Рис. 8.22. Схема корпуса ГЦН реактора РБМК с эллиптическим днищем (а), кованого (б) и со сферическим днищем (в):

1 — напорный патрубок; 2 — обечайка;

3 — днище; 4 — всасывающий

Поддержание высокого технического уровня требует непрерывной работы не только по улучшению качественных характеристик ГЦН, разработке новых более прогрессивных конструкций, но и по обеспечению требований, технологичности их изготовления .

Вэтой связи можно заметить, что при разработке таких крупных ГЦН, как насосы реакторов РБМК и БН, тщательно рассматривались вопросы технологического порядка, связанные, в первую очередь, с изготовлением корпусов.

Характер решаемых технологических проблем, степень их сложности можно проследить на примере создания ГЦН реактора РБМК. Корпус ГЦН в первоначальном варианте (рис. 8.22, а) состоял из эллиптического днища 3 с толщиной стенки 110 мм. обечайки 2, подводящего 4 и напорного 1 патрубков. Штампованная заготовка эллиптического днища серийно изготовлялась одним из машиностроительных заводов.

Вначальной стадии проектирования основное внимание было уделено выбору материала для корпуса насоса и крышки с горловиной. Рассматривались следующие материалы: нержавеющая сталь X18H10T, углеродистая сталь 22К, теплоустойчивая сталь

48ТС.

В данном случае имеются в виду освоение и внедрение прогрессивных технологических процессов, отвечающих современным требованиям в технологии изготовления (заготовка, механическая обработка, сборка и т. п.).

353

Для изготовления деталей корпуса насоса из стали 22К требуются поковки массой до 40 т (масса слитка 76 т) с толщиной стенки до 600 мм. Поковка из слитка массой 76 т обычной выплавки в имеющихся размерах не обеспечивает 100%-ной годности при ультразвуковой дефектоскопии. Из слитков электрошлакового переплава можно отковать поковку массой до 25 т, но трудно гарантировать в данных сечениях необходимые механические свойства. В случае изготовления деталей корпуса насоса из стали 22К (вместо стали 48ТС) увеличивается расход металла по слитку на 6 т на каждую деталь. Учитывая это, а также худшие механические свойства (в 2 раза ниже, чем у стали 48ТС), что привело бы к значительному увеличению массогабаритных характеристик, от стали 22К отказались.

Прочностные характеристики стали Х18Н10Т в 2 раза ниже характеристик стали 48ТС, что значительно увеличивает массу и габаритные размеры деталей, изготовляемых из стали X18H10T. Сталь Х18Н10Т более дорогостояща, чем сталь 48ТС. Кроме того, по температурному коэффициенту линейного расширения она не соответствует материалу остальных деталей ГЦН. Масса поковки для обечайки бака 41 т, масса слитка 76 т. Изготовление слитков и поковок указанной выше массы из нержавеющей стали представляет определенную сложность. Поэтому эта сталь также была отклонена.

Сталь 48ТС имеет высокие механические свойства. Предел текучести при температуре 350° С составляет 400 МПа. Для поковок массой до 41 т гарантируется высокое качество металла. Повышенная коррозионная стойкость внутренней поверхности обеспечивается наплавкой нержавеющей сталью. Процесс сварки и наплавки стали 48ТС выполняется с подогревом, он хорошо освоен в промышленности, и поэтому для изготовления корпуса и крышки с горловиной была выбрана именно эта сталь.

Применение для изготовления днища 3 плакированного листа осложняется тем, что технология штамповки днищ из них не всегда обеспечивает достаточность и равномерность толщины плакируемого слоя после штамповки.

После выбора марки стали необходима отработка корпуса на технологичность. Напорный патрубок 1 к корпусу приваривался по касательной. В местах стыковки напорного патрубка поверхность корпуса имела сложную геометрическую форму — сопряжение эллипса с конусом. Периметр сварного шва патрубка более 3,5 м, сечение шва 120 мм. Патрубок приваривался через наплавку вручную, ибо сложная конфигурация сварного шва не позволяла применить автоматическую сварку. Наплавка и сварка велись при температуре до 300° С. Естественно, в таких условиях трудно получить качественный шов.

354

Была предложена новая технология изготовления корпуса и разработана соответствующая конструкция. Изменения в конструкции (рис. 8.22, б) заключались в том. что напорный патрубок был откован заодно с обечайкой, а всасывающий — с днищем. Число сварных швов в изделии снизилось с трех до одного. При этом возросла трудоемкость изготовления корпуса, что обусловлено увеличением массы заготовки обечайки до 140 т (вместо 90 т), собственной массы корпуса на 5 т и объема механической обработки.

Данный корпус удовлетворял всем требованиям по надежности и качеству, но был, очевидно, неоптимален в отношении технологичности. Поэтому с появлением нового станочного оборудования был предложен новый вариант корпуса (рис. 8.22, в) со сферическим днищем, в котором все приемы сварки и наплавки автоматизированы, включая и приварку напорного патрубка. Конструкция технологична и заметно дешевле предыдущей. В настоящее время успешно ведется серийное изготовление таких корпусов. Общий вид одного из них показан на рис. 8.23.

Дальнейшее сокращение трудоемкости изготовления, расхода металла и, следовательно, цикла изготовления можно достигнуть, если выполнять корпус полностью литым. Техническая возможность такого решения вполне реальна. Швейцарская фирма для ГЦН АЭС предлагает отливки из легированной стали массой 32,5 т. При этом гарантируется 100%-ный рентгеноконтроль. Технология позволяет получить отливки высокого качества массой до 50 т. Требуется только чистовая механическая обработка со съемом металла не более 3-5 мм.

Однако в этой связи следует учесть опыт австрийской фирмы «Andritz», достаточно тщательно изучавшей этот вопрос [14]. Для ГЦН, поставляемых этой фирмой, изготавливаются корпуса кованосварные (сталь 20MnMoNi55) и литые (сплав GS1NiMoCr37) с приваркой всасывающего, напорного патрубков и опорных лап. Внутренние поверхности корпуса наплавляются электродом из аустенитной стали (60% всей поверхности автоматически, остальные 40% — вручную).

В ходе многолетней практики сооружения ГЦН фирма была вынуждена приступить к разработке кованого корпуса. Дело в том, что корпуса ГЦН должны в процессе эксплуатации периодически подвергаться контролю, длительность которого зависит от числа сварных швов. Эти затраты времени входят в оценку коэффициента простоя оборудования во время планово-предупредительного ремонта и в сравнении с затратами на проверку других конструкций являются весьма значительными. В данном случае

355

транспортом. При сборке этих половин на площадке снимался значительный слой металла с опорных лап корпуса.

Центрирование корпуса насоса относительно фундаментной рамы и передача момента от трубопроводов КМПЦ проводились за счет радиальных шпонок с цилиндрическими штифтами.

Благодаря внедрению последней конструкции корпуса (рис. 8.23) за счет меньшего диаметра но опорным лапам уменьшились габаритные размеры фундаментной рамы и появилась возможность изготовлять ее монолитной и меньшей массы. Штифты, крепящие шпонки, заменили сваркой.

Следует отметить, что цикл технологической доводки конструкции ГЦН при серийном изготовлении может быть растянут во времени, что, естественно, невыгодно. Его можно значительно сократить при более тщательной технологической оптимизации конструкции в процессе проектирования. Например, блочная замена узла уплотнения во всех ГЦН на определенном этапе безусловно была прогрессивным решением, так как заметно упрощалась технология замены и ремонта. Однако в отношении рационального использования металла это, очевидно, не было оптимальным решением. Было бы разумнее в случае ремонта оставлять прочно-плотный корпус уплотнения на месте, а менять только «начинку», разместив ее в легком сборочном корпусе или связав ступени между собой специальными технологическими подвесками. В этом случае уплотнения, идущие в запас или для ремонта, не нуждаются в металлоемком корпусе, масса которого составляет примерно 80% массы всей сборки.

Для замены узла уплотнения или верхнего подшипника требуется провести хотя и не сложные, но трудоемкие операции по снятию и установке двигателя, а затем повторную центровку ротора двигателя и вала насоса при сборке. Проставка между насосом и электродвигателем — характерная деталь для большинства зарубежных ГЦН — упрощает эту операцию.

Для жидкометаллических ГЦН изготовления валов (особенно режимы их термообработки) являются очень ответственными операциями, так как валы при значительным линейных размерах склонны к температурным искривлениям. Поэтому вал насоса выполняют полым, из нескольких частей, что дает следующие преимущества:

меньшие масса и длина; наибольшая стабильность по отношению к резким температурным изменениям;

большая сопротивляемость перекосам при возникновении температурных перепадов; уменьшение теплового потока в сторону верхнего подшипника и уплотнения вала.

357

Валы насосов после сварки подвергают высокотемпературному отпуску при 600—800° С для снятия внутренних напряжений. Для снятия наклепа после предварительной механической обработки вал вторично подвергается термообработке — низкотемпературному отпуску при 300—400° С.

Сварные швы после чистовой механической обработки проверяются с помощью цветной или люминесцентной дефектоскопии и гелиевого течеискателя.

Особое внимание при эксплуатации следует обратить на вибрацию, периодически возникающую на отдельных ГЦН [15]. Предупредить возникновение вибрации намного легче, чем найти после ее возникновения вызвавшие ее причины, устранить их и ликвидировать последствия. Проблема устранения общей вибрации машин тесно связана с задачей уравновешивания быстровращающихся роторов. Если ось вращения твердого тела совпадает с одной из его главных осей инерции, то вращающееся тело не будет оказывать никакого переменного возмущающего действия на опоры. Однако в процессе изготовления ротора очень трудно точно удовлетворить этому требованию вследствие отклонений геометрических размеров, неоднородности материала, а также некоторой несимметричности в распределении масс относительно оси вращения.

В результате вращения такого ротора на его опоры будут действовать переменные возмущающие силы, которые вызывают вибрацию ГЦН с частотой, равной частоте вращения.

Таким образом, уравновешивание вращающихся валов ГЦН — одно из важнейших мероприятий, способствующих уменьшению вибрации насоса.

Вал насоса со всеми вращающимися деталями должен быть динамически отбалансирован в двух плоскостях — в плоскости рабочего колеса и какого-либо элемента верхнего подшипника. Для удобства балансировочные грузики должны легко ставиться, перемещаться и не менять своего положения после окончательного закрепления. Рабочее колесо, как правило, проходит предварительную статическую балансировку. Вибрация на насосе может возникнуть и в результате неуравновешенности, вызываемой разбалансировкой элементов конструкции в рабочих условиях вследствие ряда причин [16]. Отмечаются случаи возникновения вибрации из-за расцентровки вала насоса и ротора электродвигателя, составляющих агрегат, в результате появления дефектов в соединительной муфте или разрушения вала.

Фирма «Babcock and Wilcax» разработала систему контроля и диагностики состояния ГЦН ядерных реакторов. Для контроля вибрации вала, подшипников и привода используют бесконтактные датчики перемещения и акселерометры. На основании специальных датчиков система диагностики оценивает состояние вала насоса и

358

уплотнений, а также другие характеристики. Данные о вибрации, давлениях, температурах и подаче автоматически регистрируются и служат для оценки изменения основных показателей состояния насоса [17]. Аналогичные системы разрабатываются и для отечественных ГЦН.

Муфты не только передают механическую энергию от двигателя к насосу. Они выполняют и другие функции, из которых можно упомянуть следующие:

компенсация небольших монтажных неточностей в относительном расположении соединяемых валов;

компенсация смещения геометрических осей валов или подвижность их во время работы;

ослабление вредного влияния толчков и вибрация при пуске и работе машины. Способы соединения валов агрегатов муфтами зависят от требований, предъявляемых

к каждому соединению. Поэтому на практике используются муфты разнообразных конструкций. К недостаткам подвижных муфт относят возникающие в процессе эксплуатации забоины, неравномерный износ, повышенные зазоры между зубьями (зубчатые муфты) или кулачками (кулачковые муфты), недостаточную или неодинаковую упругость пакетов, а также трудность обеспечения при монтаже минимальной неперпендикулярности пазов или пальцев (упругие муфты с пальцами) и т. п. Названные отступления могут вызвать заклинивание муфты. Подвижная муфта как бы превращается в жесткую, изменяются критические скорости, возникают резонансные вибрации.

Важнейшая технологическая операция, от которой во многом зависит спокойная работа агрегата,— центровка, т. е. приведение валов в соосное положение по полумуфтам. Следовательно, муфта должна позволять просто и удобно проводить необходимые операции по установке в процессе эксплуатации.

Например, одной из мер, направленных на снижение уровня вибрации ГЦН реактора РБМК, является замена эластичной муфты (см. рис. 5.14) торсионной (см. рис. 5.15). Верхняя половина эластичной муфты крепится к нижней плоскости маховика. Изменения биения маховика неизбежно приводят к нарушению центровки валов, что, в свою очередь, увеличивает вибрацию агрегата. В торсионной муфте крепление выполнено непосредственно к ротору электродвигателя.

В ГЦН реакторов типа БН использована зубчато-пружинная муфта переменной жесткости, работоспособность которой во многом зависит от качества выполнения эвольвентных зубьев на полумуфтах, и особенно пружин. В целях улучшения технологичности муфты эвольвентный профиль зуба может быть упрощен, а пружины заменены плоскими пластинами расчетной толщины.

359

Вряде случаев статическая центровка может не соответствовать техническим требованиям и рекомендуется для ГЦН лишь в качестве предварительной операции. Тогда необходимо определение параметров несоосности в динамическом режиме [18] либо по минимальному уровню вибрации, либо по измеренным параметрам колебаний (специальная методика позволяет расчетным путем определить место установки на роторе дополнительных балансировочных грузов).

Практика подтвердила высокую эффективность динамической балансировки насосного агрегата. Такая возможность должна быть предусмотрена на всех вновь проектируемых ГЦН.

Во всех типах ГЦН выемная часть устанавливается в корпус (бак), который служит опорой собственно насоса. Задача заключается в том, чтобы разработать такую конструкцию мест соединения корпуса и насоса, которая, во-первых, допускала бы многократное извлечение выемной части и, во-вторых, надежно уплотняла соединения. В местах разделения теплоносителя высокого и низкого давления (посадка насоса по проточной части) необходимо иметь минимальные протечки, так как они влияют на объемный КПД. Это уплотнение устанавливается еще и затем, чтобы обеспечивать довольно значительные различии горизонтальных отклонений между корпусом насоса и выемной частью. Поэтому от конструкции уплотнения зависит степень сложности монтажа и демонтажа выемной части в корпус, особенно при различной температуре корпуса выемной части.

Внасосе для I и II блоков Ленинградской АЭС патрубок покрывного диска выемной части охватывал подводящий патрубок корпуса и сопрягался с ним по точной посадке. Чтобы установить холодную выемную часть в разогретый корпус, необходимо было каждый раз выемную часть подогревать. Для последующих блоков конструкция этого узла была изменена таким образом, что охватывающим стал патрубок корпуса, а сопряжение патрубков выполнено с зазором 1,5 мм. Для уменьшения протечек среды через зазор были установлены два упругих уплотнительных кольца.

Однако это уплотнение и другие типы соединительных устройств и щелевых уплотнений не в полной мере удовлетворяют условиям эксплуатации и ремонта, так как со временем теряют первоначальные геометрические размеры. В частности. в ГЦН реактора БН-350 после нескольких лет нормальной работы уплотнительные кольца между выемной частью и направляющим аппаратом потеряли свою упругость, «сели», и протечки через них увеличились. Восстановление герметичности потребовало доработки конструкции.

Особо следует остановиться на операциях «подрыва» выемной части ГЦН. Наличие специальной оснастки для подрыва облегчает эту операцию и безопасное ее проведение.

360