某核電廠循環水泵基礎口環固定螺栓斷裂、缺失原因分析及處理方案制定

楊洪亮,夏 超,明飛翔,楊 雨,雷立峰,白新磊

(遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116319)

1 背景介紹

1.1 設備簡介

循環水泵為核電站機組冷源重要設備,為凝汽器、輔助冷卻水泵提供大流量冷卻水[1],如冷源喪失,將導致機組不可用。

存在缺陷循環水泵為CR 1Q S1型立式、單級、底部吸入混凝土蝸殼式離心泵,每臺機組分別設置兩臺循環水泵,日常運行期間,兩臺循環水泵均需處于運行狀態。

循環水泵設計獨立L型口環部件在預埋件之上,并采用8顆螺栓輔助固定,螺栓上方冷裝蓋帽加以保護,如圖1所示。當口環因磨損、銹蝕等原因造成間隙超標時,可導致水利損失偏大,此時可更換口環消除缺陷。

圖1 循環水泵下部預埋件局部圖

然而現場檢修時頻繁發現固定螺栓斷裂、缺失等缺陷,致使泵組存在口環竄動及磨損風險,最終可能導致泵組不可用跳機跳堆。

1.2 缺陷描述

2017年4月6日,核電站3號機組首次大修期間,全檢3CRF002PO(根據核電站循環水系統命名規則,第一個數字代表機組號,CRF代表循環水系統,第5-7字節代表序號,PO代表泵,后續采用此命名規則進行闡述),發現下預埋件口環螺栓斷裂5顆(共8顆),其中1顆斷裂螺頭已丟失,更換8顆螺栓備件后回裝。

2018年4月24日,核電站3號機組第二次大修期間,對3CRF002PO進行跟蹤檢查,發現鼓網側又有2顆螺栓丟失,現場未進行處理。

2019年2月10日,核電站3號機組第三次大修期間,繼續對3CRF002PO進行跟蹤檢查,發現與第二次大修情況相同,未新增掉落螺栓。

擴檢其他同型號泵,核電站4號機組的CRF001PO/002PO下預埋件口環也多次發生螺栓斷裂丟失的問題。

檢修過程中發現預埋件與口環固定螺栓存在不同程度缺陷,并根據檢修條件制定相應處理措施,具體如圖2所示。

圖2 固定螺栓狀態及螺栓孔狀態

2 原因分析

根據各輪大修斷裂螺栓狀態可知,螺栓位置主要缺陷為扣帽丟失、螺栓斷裂、螺栓丟失,下文將對以上缺陷進行分析,具體如下。

2.1 扣帽丟失原因分析

螺栓上方安裝扣帽執行保護功能,原始設計要求扣帽需要液氮冷裝,具體布置如圖3所示。

圖3 扣帽局部示意圖

經調查,工程期間螺栓保護帽存在安裝不當現象,通過錘擊方式安裝,不符合設計要求,導致保護帽裝配緊力不足,運行過程中丟失。

2.2 螺栓丟失過程分析

通過現場核實,循環水泵葉輪下表面與預埋件口環上表面間距為20 mm,螺栓長度為42 mm,即螺栓如以整體狀態丟失時,需要葉輪帶動螺栓頭部旋轉滑出,勢必造成葉輪下表面或者螺栓孔處劃傷。然而驗證葉輪下表面、螺栓孔邊緣等位置無劃傷痕跡,說明螺栓非以整體狀態丟失,即丟失的螺栓都經歷了斷裂過程。排查過程如圖4所示。

圖4 排查過程

2.3 螺栓斷裂原因分析

2.3.1 斷口性質確認

收集3號機組首輪大修斷裂螺栓進行微觀檢測,判定螺栓斷裂性質為疲勞斷裂,裂紋源均位于螺紋根部,斷口疲勞裂紋較細,這表明螺栓受較小變化幅值的交變載荷發生疲勞擴展斷裂[2]?？梢耘懦菟ㄟ^載斷裂、剪切斷裂、氫脆開裂與腐蝕開裂等故障模式。微觀檢測如圖5所示。

2.3.2 疲勞斷裂原因分析

根據螺栓疲勞斷裂現象,梳理螺栓疲勞斷裂影響因素為材質異常、加工質量異常、設計受力不當、安裝不當、環境因素,具體如圖6所示。

(1)材質分析

通過無損探傷、化學成分化驗、硬度測試、金相觀察、氫含量測試、力學性能測試等手段,未發現異常點。

(2)加工質量分析

對斷裂螺栓進行微觀檢查,發現裂紋源均起源于螺紋根部加工刀痕位置,螺紋表面加工質量較差,造成螺紋部位應力集中增大,進而導致螺栓承載能力下降,存在螺栓螺紋部位開裂風險。

(3)設計受力分析

螺栓預緊的目的是提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度。過低的預緊應力無法抵抗振動引起的載荷而產生疲勞起裂。過高的預緊應力,引起螺紋體破壞,過早失效。然而經核實,合金鋼螺栓等級范圍為5.6～12.9級,根據機械設計手冊[3],力矩選擇滿足螺栓通用設計要求。

(4)安裝分析

通過現場觀察,發現部分螺栓頭部擰固磨損嚴重、螺栓安裝深度偏差較大,推測工程安裝期間擰固力矩偏差較大,如擰固力矩偏小,抗震能力下降,微動磨損可產生微裂紋;如擰固力矩偏大,易產生微裂紋,抗疲勞能力下降。

(5)運行環境分析

通過現場觀察,口環螺栓斷裂后,口環與預埋件相對位置并未發生變化,因此可排除口環處流體剪切力和口環錯位等影響。

2.3.3 分析結論

3/4CRF002PO預埋件口環螺栓斷裂、丟失的直接原因為螺栓螺紋處疲勞斷裂。根本原因為螺栓加工質量差,螺紋處應力集中加大,疊加工程期間螺栓安裝不當(過擰或者欠擰),導致抗振能力或疲勞壽命下降,使螺栓螺紋處產生微裂紋,疲勞擴展引起螺栓斷裂、丟失。

3 處理方案

由于現場螺栓缺失嚴重,存在口環松脫,造成CRF泵葉輪卡澀從而被迫停泵風險。如果采用正確方式補裝、更換螺栓需要起吊泵組,工程量巨大,且無法滿足核電站工期要求,因此需結合根本原因及現場情況制定其他固定方案。

3.1 常見方案探討

目前除固定螺栓外,常見水泵口環固定方式為焊接、騎縫螺釘、銷釘螺栓等,個別泵口環處設計為楔形,通過調整泵組高度調節口環間隙。對各個方式的優缺點對比分析,如表1所示。

表1 方案對比

通過對比分析可知,采用點焊方式無需起吊泵組并可實現口環的有效固定,可以滿足現場需求。

3.2 點焊理論計算

(1)已知條件

原固定螺釘為8顆,螺釘許用應力為[σ]=150 MPa[1];

螺釘最大受力F總=8[σ]·S

式中,[σ]為螺栓許用應力,單位N/mm2;S為螺栓截面積;S=π(d/2)2,d為螺栓直徑,單位mm。

預埋件與密封環材質為ZERON25,焊接采用2205雙相鋼焊條,焊縫許用強度[σ]=150 MPa。

單個焊縫強度計算:F=[σ]·S1,S1為焊縫截面積,S1=L·H,L為焊縫長度,H為焊縫高度。

(2)計算結果

F總=8[σ]·S=8×150×π(d/2)2=8×150×3.14×62=135648 N

當螺釘改為焊接形式后,假設焊縫所承受的最大力為F總,當選用8處焊縫時,每處焊縫受力F=F總/8=45216 N,由此可得焊縫截面積S1=F/[σ]=45216/150=113.04 mm2,當我們選擇焊縫高度為5 mm時,焊縫長度約為24 mm。

因此當選用8點焊接,焊縫規格為:長×寬×高=25 mm×20 mm×5 mm,具體如圖7所示。

圖7 焊點示意圖

4 效果驗證

3CRF002PO和4CRF001PO分別于303大修、401大修完成點焊工作,經過四個大修循環驗證無異常,3CRF001PO及4CRF002PO分別于304大修、402大修完成點焊工作,經過三個大修循環驗證無異常。

5 結束語

通過對泵組形式及故障簡單介紹,確認口環固定螺栓斷裂的直接原因為螺栓螺紋處疲勞斷裂,進而引出根本原因為螺栓加工質量差,螺紋處應力集中加大,疊加工程期間螺栓安裝不當,導致抗振能力或疲勞壽命下降,使螺栓螺紋處產生微裂紋,疲勞擴展斷裂、丟失。根據其根本原因及結構特點對目前口環固定方式進行優化,其優化方案易操作,且可實現口環固定基本功能,有效保證了核電站循環水泵安全穩定運行。