核电厂汽动辅助给水泵飞锤拒动问题分析及处理

中广核核电运营有限公司 吕庆举

辅助给水系统（ASG）作为核电厂重要专设安全系统之一，对核电厂安全稳定运行起到至关重要的作用。ASG 汽动泵超速试验作为核电厂高风险活动之一，验证ASG 汽动泵可用性、保证ASG 汽动泵在发生异常状况转速飞升超出正常运行范围时能及时自动打闸停机，防止汽动泵超转速飞车和泵出口管道超压。试验中汽动泵出现飞锤拒动现象有导致泵组超速飞车的风险，本文分析了导致该问题的原因并改进。

1 系统及设备简介

核电厂ASG 系统属于专设核安全设施之一，设有2台电动辅助给水泵，2台汽动辅助给水泵。其主要安全作用是在主给水系统的任何一个环节发生故障时，ASG 系统作为应急手段向蒸汽发生器二次侧供水，排出堆芯余热，直到堆芯余热系统（RRA）允许投入运行为止，或反应堆正常启停过程中特定模式时代替主给水系统向蒸汽发生器供水，导出堆芯余热最终实现安全功能[1]。

ASG 汽动泵超速保护装置设置有电磁超速保护和机械超速保护。机械超速保护装置由离心飞锤、角接阀、打闸机构等部件组成，超速定值范围为9675～9850r/min，定值通过汽动泵超速试验验证，当ASG 汽动泵转速高于飞锤螺母设定值，飞锤在离心力作用下飞出轴面、打击压板，压板脱出复位杆，角接阀密封面打开，破坏主汽门阀芯平衡力，阀芯活塞背部蒸汽沿汽侧平衡管排放至大气，主汽门失去阀芯背部平衡力，在蒸汽压力面积差的作用下关闭，汽动泵停运，机械脱扣示意图如图1所示。若超速试验不合格，需对飞锤的重心进行调整[2]。

图1 机械脱扣示意图

2 原因分析及排查

在J 核电厂5号机组第1次大修（J501）热态上行期间，执行J5ASG004PO 汽动泵机械超速试验，发现超速定值不合格，经过11次调整仍无法合格，最终确认转速在8750～9930r/min 之间飞锤出现拒动现象，无法机械跳闸。通过在线更换厂家旧型号飞锤备件重新执行机械超速试验，超速跳闸值为9820r/min，试验合格。

2.1 设计制造及安装调试

拆卸J5ASG004PO 在役飞锤组件，发现飞锤封头密封焊位置存在2个轴向对称180°凹坑，根据厂家答复，凹坑为改进型飞锤所增加的水槽，即属于改进型新产品（图2）。经查询资料及咨询厂家，旧型号飞锤与改进型飞锤制造工艺及特点对比如下：

图2 改进型飞锤水槽开口位置

旧型号飞锤制造工艺：加工飞锤零部件、组装、安装O 形密封圈临时封堵密封、试验台进行打击试验，若打击试验数据不合格进行研磨封头端面调整质心直至试验合格、拆除临时O 形圈、真空电子束焊接封头、再次进行打击试验，验证动作值合格、产品交付；改进型飞锤制造工艺：加工飞锤零部件、组装、安装O 型密封圈封堵密封、试验台进行打击试验，若打击试验数据不合格进行研磨封头端面调整质心直至试验合格、铆接封头、产品交付。

两者制造差异在于封头密封形式不同，旧型号飞锤直接焊死密封，而改进型飞锤采用O 形圈密封和铆接防松。真空电子束焊接优点在于密封牢靠、持久耐用、不使用焊条，缺点在于焊接合格率低，焊接过程易出现裂纹；O 形圈密封和铆接防松工艺优点在于制造工艺简单、可操作性强、产品合格率高，缺点在于O 形圈易受外部环境和安装条件影响导致其失效，且O 形圈为橡胶制品、寿命短，铆接对技术人员技能要求高，易产生铆接不牢固松动现象。从飞锤组件制造工艺及厂家澄清分析判断，改进型飞锤易受外部环境和安装条件影响导致其失效；从设备部件重要性来讲，飞锤是设备的核心部件，工艺的改进忽略其密封持久性和产品寿命。

查询J5ASG004PO 汽动泵制造完工报告及调试跟踪报告，机械超速脱扣试验数据满足要求，一次合格，未作调整：机械脱扣值9758r·min-1，电磁脱扣值9345r·min-1。

2.2 设备维护

该电厂5号机组商运以来，J5ASG004PO 汽动泵已安全运行一个燃料循环，运行期间参数合格、未见异常。J501大修J5ASG004PO 汽动泵执行预防性年检、纠正性维修项目，不涉及飞锤组件解体及飞锤更换工作；在泵轴反馈扩检项目中，对飞锤进行目视检查未见异常。针对设备维护项目，主要从试验调整过程、飞锤整体拆检情况、离线试验情况、飞锤内部组件拆检情况4个方面展开分析。

2.2.1 试验调整过程

在线执行ASG 汽动泵机械超速试验，验证机械脱扣保护动作值是否满足验收标准。如超出标准，打开中间水室盖板在线调整飞锤，调整完成后重新执行试验验证，反复执行调整、验证，直至机械脱扣保护动作值满足要求。根据首次启泵验证试验数据，结合飞锤动作原理、飞锤调整量对应转速关系，确定每次调整方案，现场实施调整。

J501大修J5ASG004PO 汽动泵共计执行9次机械飞锤调整，前6次属于机械超速试验飞锤正常工艺调整过程；后3次调整属于机械飞锤故障查找做出的调整，从第7次和第8次调整后发现飞锤可调节量区间非常小，基本判定飞锤本身故障，通过第9次调整验证飞锤自身故障，故决策更换飞锤，共计执行13次超速试验。其中0～9次飞锤在线调整的调整量（mm）、脱扣动作转速（r·min-1）、调整方向分别为：NA、10050、NA；6、10120、顺时针；5、9950、顺时针；6、8240/8400、顺时针；4.5、8750、逆时针；5.5、10140、逆时针；2.5、10220、顺时针；3、8590、顺时针；1、9930、逆时针；0.5、8590、顺时针。J501大修J5ASG004PO 机械超速试验调整方案、调整过程、飞锤故障点确认属于合理正常过程，满足规程要求。

2.2.2 飞锤组整体拆检情况

在线对飞锤组件进行拆检，发现飞锤本体、外弹簧和调整旋塞表面均存在许多粉末状污垢，飞锤打击头部圆弧过渡处存在轻微磨痕（图3）。对比测量新旧飞锤与固定旋塞配合直径、与调整旋塞配合直径，数据吻合度在加工偏差要求范围之内，重量几乎一致；对比新旧飞锤外弹簧，尺寸一致；检查弹簧垂直度良好，无偏斜和变形现象。飞锤外观尺寸示意图如图4。新旧飞锤对比数据：调整端外径A（mm）23.56/23.56、 固 定 端 外 径B（mm）23.54/23.55、飞锤总长度L（mm）95.21/95.14、飞锤质量（m/g）275.01/276.72、飞锤本体锥面最大跳动度0.01mm。

图3 飞锤解体情况

图4 飞锤外观尺寸示意图

从飞锤整体拆检情况分析，粉末状的污垢均在非配合区域，使用威第尔即可清理，飞锤头部磨痕轻微，手摸无触感，与飞锤头部配合部位的固定旋塞为铅青铜，比飞锤头部材质软，故磨痕和污垢产生的阻力有限，对飞锤动作过程影响甚微。新飞锤回装后动作正常，且新旧飞锤组件（含弹簧）尺寸均无异常，对比验证加工尺寸偏差对飞锤动作无影响，排除加工偏差影响。

2.2.3 离线试验情况

对旧飞锤与旧弹簧进行打击试验验证，试验结果表明：飞锤在转速大于9052r/min 且升速至试验台变频电机最高转速9900r/min 过程中，飞锤产生拒动现象（表1）。表1中“不跳”是指将转速从0升高至试验台最高转速9900r/min 飞锤不动作，“-”是指飞锤打击头部低于泵轴表面。试验台数据趋势现象与现场调整现象完全吻合，进而证明飞锤已发生故障，导致在特定区间无法动作。

表1 飞锤试验台离线数据

2.2.4 飞锤内部组件拆检情况

对飞锤封头检查发现，封头沿圆周方向有轻微旋转，说明水槽处铆点松动，打磨铆点、拆除封头，发现飞锤内部已进水，在飞锤非打击端封头处进水量约1.5g，飞锤内弹簧轻微变形，向中间弯曲，封头O 形密封圈表面存在轻微变形，其他部件检查未见异常（图5）。清理飞锤内部进水，更换新O 形密封圈，重新组装飞锤并安装在试验台进行打击试验，飞锤能够在9000r/min 以上跳闸，跳闸数据稳定，打击试验完成后再次解体飞锤，内部未进水，O 形密封圈密封良好，从而证明进水是导致飞锤在9052r/min 以上无法动作的原因，排除内弹簧弯曲的影响。旧飞锤重新组装后3次试验的飞锤定位距离（mm）、试验台跳闸转速（r·min-1）分别为：-0.24、9236/9133/9232；-0.25、9280/9287；-0.31、9681/9685。从飞锤内部组件拆检情况和试验数据得出，进水导致整体飞锤质心无法越过泵轴轴线，打击压板，造成机械脱扣保护值多次调整不合格。

图5 飞锤内部解体情况

图6 飞锤重心测量示意图

结论：飞锤拒动的根本原因为厂家改进型飞锤制造工艺和密封形式的改进方案存在不足，飞锤O形密封圈失效，导致飞锤内部进水。

3 处理措施及工艺改进

处理措施：J5ASG004PO 在线更换旧型号飞锤，重新执行汽动泵超速试验验证，试验数据合格。同时根据反馈对内部36台泵组排查，确认仅有J 电厂5、6号机组4台泵组安装有相同飞锤。J5号机组在首次大修期间已完成更换，J6号机组首次大修大修完成J6号机组2台泵组更换，全部处理合格。

工艺改进：通过对库存飞锤备件进行离线试验验证，发现库存1个飞锤备件（94号）存在定值漂移，在飞锤头部距离泵轴表面0.01mm 高度差时，飞锤超速定值在9933～9566r/min 间波动，最大波动值为367r/min，超出飞锤设计偏差175r/min 和最大容差值330r/min，其他另外2个飞锤备件无异常（表2）。对飞锤封头进行熔蜡检查检查工艺，将石蜡进行加热融化至液体状态，将飞锤放入石蜡溶液中，观察封头焊缝是否有石蜡结晶，如有说明焊缝密封不严。

表2 库存备件飞锤离线试验结果

对已完成4个飞锤离线台打击试验数据及与之对应26组飞锤重心测量数据对比，累计执行超速试验110次，从试验数据可发现如下规律：飞锤重心定位尺寸变化0.01mm 对应产生转速变化量约60～80r/min；飞锤在试验台初始安装值与打击完成后真实安装值相差最大|r|≤0.03mm，且打击后真实安装值均小于初始安装值；飞锤在试验台和现场设备转子上相同重心定位尺寸，试验台跳闸值比现场跳闸值小300～400r/min。以上3点经验数据的得出能够为现场飞锤拆卸安装、更换及调整提供宝贵经验值，大大提高超速试验一次合格率。

通过检修状态下单一测量ΔL 的距离（ΔL=│A-B │)判断飞锤重心的变化，通过收集多基地单台泵某一大修该数值ΔL，且本次大修机械超速试验合格，可在下轮大修测量该数据ΔL 与上轮大修比对是否发生变化，若无变化机械超速试验合格（图6）。推广使用该工艺方法完成多基地各泵组合格超速定值对应的飞锤定位尺寸收集，并绘制成标准对比表，在大修年检或全检窗口只需测量飞锤重心定位尺寸与此表比对，提前判断超速试验定值合格与否，若是定位尺寸出现较大变化可按照历史数据提前调整飞锤，避免超速试验窗口调整，耽误关键路径时间。

4 结语

J5号机组ASG 汽动泵飞锤拒动问题的处理及工艺改进已应用于群厂多基地同类型号泵组，该问题的处理从根本上避免了厂家对飞锤封头密封形式设计存在的不足，提高了设备可靠性。同时维修工艺的改进提高了维修效率，提前识别并检验库存备件是否合格，以及在检修状态下识别超速试验定值合格与否，大大提高了热态超速试验一次合格率，节约大修关键路径时间。