AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承的安裝

陳淼鑫，黃小強(qiáng)，吳志遠(yuǎn)

(國核工程有限公司，上海 200233)

關(guān)節(jié)軸承一般用于低速下的擺動運(yùn)動、傾斜運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在工程機(jī)械、車輛船舶、礦山冶金、航空航天、印刷紡織等各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-4]。關(guān)節(jié)軸承的潤滑主要包括自潤滑、液體潤滑和脂潤滑[4]，文中介紹一種第3代核電技術(shù)AP1000核電站蒸汽發(fā)生器支承用自潤滑關(guān)節(jié)軸承，重點(diǎn)介紹其安裝難點(diǎn)和安裝方法。

1 AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承

核電站蒸汽發(fā)生器(Steam Generator，SG)是將反應(yīng)堆的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備。第3代核電技術(shù)AP1000采用2臺典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U形管自然有2組互為90°布置的4個輔助支承，分別是2個循環(huán)蒸汽發(fā)生器。在每個蒸汽發(fā)生器的中、上部中部側(cè)向支承和2個上部側(cè)向支承;蒸汽發(fā)生器下部還有1組側(cè)向支承，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示[5]。

1—蒸汽發(fā)生器垂直支承柱；2—反應(yīng)堆冷卻劑泵與冷管段的接管嘴；3—蒸汽發(fā)生器中部側(cè)向支承；4—蒸汽發(fā)生器；5—蒸汽發(fā)生器上部側(cè)向支承；6—蒸汽發(fā)生器水室下封頭組件；7—蒸汽發(fā)生器下部側(cè)向支承；8—反應(yīng)堆冷卻劑泵；9—支承柱底卒錨固件

AP1000蒸汽發(fā)生器支承“金雞獨(dú)立”的特殊結(jié)構(gòu)與以往的壓水堆核電站完全不同，因而在支承件零件的設(shè)計上也與眾不同，在蒸汽發(fā)生器的下、中、上部側(cè)向支承組件中都引入了自潤滑關(guān)節(jié)軸承。這些關(guān)節(jié)軸承屬于核安全相關(guān)物項，設(shè)計要求關(guān)節(jié)軸承的靜、動態(tài)摩擦因數(shù)不能超過0.15，能夠自由轉(zhuǎn)動，使支承件能夠適應(yīng)反應(yīng)堆啟動和停堆時蒸汽發(fā)生器的正常膨脹和收縮。關(guān)節(jié)軸承在AP1000核電站60年壽命期限內(nèi)必須保持物理上的完整性。

AP1000蒸汽發(fā)生器支承中不同部位的關(guān)節(jié)軸承尺寸不同(表1)，但結(jié)構(gòu)完全相同(圖2)。以型號為SPB-LLS的關(guān)節(jié)軸承為例，其外圈材質(zhì)為ASTM A747 CB7Cu-1 (17-4PH) H1025鐵鉻鎳銅耐腐蝕沉淀硬化不銹鋼，為雙半剖分外圈結(jié)構(gòu)，通過316不銹鋼內(nèi)六角螺釘連接；內(nèi)圈材質(zhì)為ASTM B505-C96900 TOUGHMET 3CX105銅鎳錫合金，外球面上均勻分布深度至少為6.3 mm的圓柱形凹槽，每個凹槽都與球面垂直，凹槽內(nèi)裝有圓柱形的固體潤滑劑。固體潤滑劑的成分為高純度核級石墨(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%以上)，成分中不含粘合劑，硫、鹵素或其他灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過100×10-6。鑒于固體潤滑劑的形狀和成分，也可稱之為石墨柱或石墨塞。為能夠充分的潤滑，分布在內(nèi)圈外球面上的全部石墨柱占整個內(nèi)圈外球面面積的40%以上，石墨柱必須高出內(nèi)圈外球面0.25～0.38 mm。

表1 AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承型號和主要設(shè)計參數(shù)

圖2 關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

從上述結(jié)構(gòu)和材質(zhì)可以看出，AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承具有以下特點(diǎn)：

1)采用自潤滑設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單。使用固體潤滑劑，無需開油槽、油孔，加工制造相對簡單[6]。軸承端面沒有密封圈，避免了關(guān)節(jié)軸承在使用過程中出現(xiàn)密封圈帶轉(zhuǎn)、不貼合、脫落、卡死、反咬等質(zhì)量問題[7-8]。

2)潤滑劑鑲嵌在內(nèi)圈外球面。目前大多數(shù)自潤滑關(guān)節(jié)軸承是在外圈的內(nèi)球面粘貼一層自潤滑襯墊層[1,9-10]，襯墊材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)纖維、碳纖維、高性能聚乙烯纖維等纖維材料織物[10]。而AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承不使用襯墊，直接將固體潤滑劑鑲嵌在內(nèi)圈的外球面，不用擔(dān)心因粘接工藝不良導(dǎo)致襯墊層剝落或滑出[9,12]。此外，與將固體潤滑劑鑲嵌在外圈內(nèi)球面的設(shè)計[4,13]不同，AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承是在內(nèi)圈外球面上加工鑲嵌凹槽，制造相對簡單。

3)工作溫度高、潤滑劑穩(wěn)定、免維護(hù)。當(dāng)關(guān)節(jié)軸承的滑動面材料配對為鋼-鋼時，其容許的工作溫度取決于潤滑劑的容許工作溫度，AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承的潤滑劑采用高純度石墨，設(shè)計的工作溫度可以達(dá)到426 ℃，遠(yuǎn)高于聚四氟乙烯的工作溫度(200 ℃左右)。另一方面，石墨穩(wěn)定性和耐輻照性能好，在反應(yīng)堆γ射線和中子的長期照射下，不會產(chǎn)生其他有害物質(zhì)，非常適合核電站的運(yùn)行工況。在關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動時，由于石墨和銅鎳錫合金膨脹系數(shù)的差異，石墨可以涂覆在內(nèi)外圈之間，形成自潤滑的接觸面，在核電站60年的設(shè)計壽命內(nèi)無需維護(hù)。

2 關(guān)節(jié)軸承的安裝

2.1 安裝難點(diǎn)

AP1000蒸汽發(fā)生器支承用關(guān)節(jié)軸承與軸承座孔為過盈配合，兩者之間的設(shè)計過盈量為0.03～0.15 mm。關(guān)節(jié)軸承的安裝難點(diǎn)主要有以下幾個方面：

1)由于是過盈配合，一般采用加熱軸承座孔或者液氮冷卻軸承的方法安裝。而AP1000蒸汽發(fā)生器支承不允許加熱，關(guān)節(jié)軸承不允許采用外力強(qiáng)行安裝，也禁止使用液氮冷卻。產(chǎn)品供應(yīng)商明確要求此關(guān)節(jié)軸承只能用干冰冷卻后裝入支承件座孔內(nèi)，采用干冰冷裝法的冷縮量要比采用液氮冷卻的小一些，國內(nèi)很少使用此方法，安裝單位也是第一次實(shí)踐。

2)關(guān)節(jié)軸承冷縮后與支承件座孔之間的間隙至少需要0.05 mm才便于安裝，而部分關(guān)節(jié)軸承雙半外圈的拼接處可能由于運(yùn)輸不當(dāng)存在細(xì)微“錯邊”，增大了冷裝的困難，如果不進(jìn)行調(diào)整，安裝過程中可能會出現(xiàn)卡死。

3)根據(jù)安裝前的冷縮試驗數(shù)據(jù)，關(guān)節(jié)軸承在干冰中冷卻6 h后取出安裝，外圈外徑變化較快，5 min內(nèi)的冷縮量為0.12～0.20 mm，5 min后冷縮量變化不穩(wěn)定，不能滿足安裝要求。而大尺寸關(guān)節(jié)軸承的安裝需使用行車起吊，必須在短時間內(nèi)完成安裝，安裝難度大。

2.2 應(yīng)對措施

針對上述安裝難點(diǎn)和風(fēng)險，安裝單位復(fù)測了蒸汽發(fā)生器支承件上軸承座孔的尺寸；另一方面，關(guān)節(jié)軸承供應(yīng)商和安裝單位均對關(guān)節(jié)軸承外徑現(xiàn)場復(fù)測，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)節(jié)軸承雙半外圈拼接處的外徑，對于尺寸超差的關(guān)節(jié)軸承，供應(yīng)商現(xiàn)場對關(guān)節(jié)軸承重新拆裝進(jìn)行調(diào)整。通過尺寸復(fù)測和必要的調(diào)整，可以在設(shè)計允許的范圍內(nèi)合理優(yōu)化關(guān)節(jié)軸承和支承件上座孔的配對，增加軸承冷縮后的安裝間隙，降低安裝難度。

其次，安裝單位改進(jìn)了冷卻工藝，關(guān)節(jié)軸承經(jīng)聚乙烯塑料布包裹后，直接與干冰接觸，同時延長冷凍時間，由此前的6 h延長至24 h。工藝改進(jìn)后再次進(jìn)行了冷縮試驗，試驗發(fā)現(xiàn)冷縮量有所增加，冷縮試驗測量數(shù)據(jù)見表2。由表可知，關(guān)節(jié)軸承從干冰中取出后的5 min內(nèi)尺寸較為穩(wěn)定，安裝應(yīng)控制在此時間內(nèi)完成；冷縮試驗數(shù)據(jù)表明，尺寸大的關(guān)節(jié)軸承其冷縮量也較大。

表2 關(guān)節(jié)軸承在冷卻24 h后，從干冰中取出的不同時間內(nèi)外徑收縮量數(shù)據(jù)

此外，安裝單位改進(jìn)了安裝工裝，便于工人對中和調(diào)整，同時對安裝過程進(jìn)行模擬演練，控制安裝時間。

2.3 安裝要點(diǎn)

為了確保AP1000蒸汽發(fā)生器支承關(guān)節(jié)軸承順利安裝，在試驗、工裝和工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上，安裝單位編制了安裝規(guī)程，安裝要點(diǎn)如下：

1)安裝前確認(rèn)關(guān)節(jié)軸承潤滑表面和配合面無損傷，用丙酮、干凈白布將支承件座孔、關(guān)節(jié)軸承清理干凈，所有裝配面不允許有任何的碎屑和雜質(zhì)。

2)將關(guān)節(jié)軸承與起吊工裝裝配在一起，并一同置于干冰儲存箱中冷卻，冷卻時間不少于10 h(后續(xù)實(shí)踐表明，大多數(shù)關(guān)節(jié)軸承在冷卻10 h后已基本滿足安裝要求)。

3)關(guān)節(jié)軸承充分冷縮后，開箱、起吊關(guān)節(jié)軸承，迅速復(fù)測冷縮后關(guān)節(jié)軸承的外徑尺寸，計算實(shí)際配合間隙，若關(guān)節(jié)軸承冷縮后與座孔的安裝間隙小于0.05 mm則停止安裝，重新放入干冰存儲箱中繼續(xù)冷卻。

4)將滿足安裝要求的關(guān)節(jié)軸承與對應(yīng)的支承件座孔進(jìn)行裝配。每套關(guān)節(jié)軸承的安裝應(yīng)控制在5 min以內(nèi)(關(guān)節(jié)軸承從吊離干冰儲存箱至裝入支承件座孔的時間)。

5)關(guān)節(jié)軸承裝入支承件后，在常溫下放置2～3 h后，拆除起吊工裝。

由表2數(shù)據(jù)可知，關(guān)節(jié)軸承從干冰中取出后30 s內(nèi)，冷縮量最大。但為了降低安裝風(fēng)險，實(shí)際安裝前先對軸承外徑進(jìn)行尺寸測量，再次核驗軸承冷卻后安裝間隙是否滿足要求。尺寸復(fù)測時間大約需要15 s左右。

為確保萬無一失，制定了應(yīng)急措施和預(yù)案。對于安裝間隙偏小的情況，在安裝過程中可用銅棒輕微敲擊工裝，以利于關(guān)節(jié)軸承找平找正，使軸承與座孔間隙趨于均勻。安裝前除了加強(qiáng)對支承件座孔的清潔工作外，對前一次安裝失敗在座孔內(nèi)壁留下的黑點(diǎn)(硬點(diǎn))位置進(jìn)行標(biāo)識后，在確保座孔尺寸在設(shè)計公差范圍內(nèi)的前提下，用砂紙和油石對黑點(diǎn)處輕微打磨，同時去除座孔邊緣毛刺及凸點(diǎn)。關(guān)節(jié)軸承安裝時，行車、起重工應(yīng)隨時待命，若裝配出現(xiàn)卡緊，應(yīng)迅速將軸承取出。如果行車無法取出，應(yīng)迅速將支承件翻轉(zhuǎn)，用木槌敲擊關(guān)節(jié)軸承起吊工裝，將關(guān)節(jié)軸承取出。

基于制定的安裝規(guī)程，在良好的準(zhǔn)備和預(yù)防措施下，所有關(guān)節(jié)軸承都得以安裝，安裝時間大都控制在3 min以內(nèi)。

3 結(jié)束語

第3代核電AP1000蒸汽發(fā)生器支承使用了特殊結(jié)構(gòu)的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，該關(guān)節(jié)軸承采用鑲嵌在內(nèi)圈外球面的石墨柱作為潤滑劑，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作溫度高、潤滑劑穩(wěn)定、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)節(jié)軸承采用了干冰冷裝法，在國內(nèi)核電設(shè)備制造/安裝企業(yè)尚屬首次，干冰冷裝法存在冷縮量較小、安裝時間窗口有限制等難點(diǎn)，安裝前應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，包括尺寸復(fù)測、冷縮試驗、工裝和工藝改進(jìn)、制定應(yīng)急預(yù)案等。