海外“华龙一号”中压安注泵泵盖防研伤解决方案

海外“华龙一号”中压安注泵泵盖防研伤解决方案

孙鹿

中原对外工程有限公司上海200000

摘要：为了保证卡拉奇核电项目3#机组中压安注泵在现场安装、调试、运行过程中不出现质量问题，在中压安注泵加工、装配、试验过程中认真检查每一个环节的质量状况，对于出现的质量异常情况，必须进行根本原因分析及整改措施，通过技术改进达到确报质量的目的。

关键词：预紧力矩、螺栓、垫片、润滑剂

一、引言

巴基斯坦卡拉奇核电项目是我国首个走出国门的、具有完全自主知识产权的、且更先进更安全的三代压水堆核电技术核电项目。“华龙一号”实现了先进性和成熟性的统一、安全性和经济性的平衡、能动与非能动的结合。“华龙一号”的设备国产化率达到了90%以上，这些国产化的设备中就包括由K3项目中压安注泵。

二、背景情况

在进行K3项目首台中压安注泵厂内预装配后，发现主螺栓、垫片和泵盖三个零部件相接触表面均发生不同程度研伤。泵盖表面研伤较为严重，最深处痕迹深度约0.6毫米，垫片与泵盖接触表面研最深处伤痕迹深度约0.4毫米，垫片与主螺母接触表面研伤最深处痕迹深度约0.2毫米，主螺母与垫片接触表面最深处痕迹深度约0.2毫米。

开启NCR，对主螺母、垫片和泵盖研伤表面进行了重新加工处理。

三、分析原因

按照设计计算结果，K3中压安注泵每根主螺栓M45预紧力矩必须在1500Nm至1800Nm之间，装配人员使用力矩扳手施加预紧力达到要求值。

泵盖材料为经过固溶热处理的022Cr19Ni10奥氏体不锈钢锻件，垫片为相同材料的锻件，主螺母材料为马氏体不锈钢12Cr13，主螺栓材料为马氏体不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb。主螺母材料12Cr13硬度为228-260HB，主螺栓材料05Cr17Ni4Cu4Nb硬度为321-352HB，奥氏体不锈钢022Cr19Ni10硬度相对较低，且材料比较黏。

K3中压安注泵主螺栓施加预紧力矩过程中，装配人员使用力矩扳手转动主螺母，力矩增加到一定程度后，主螺母转动带动垫片转动。主螺母、垫片和泵盖之间产生相对转动，同时，因主螺母、垫片和泵盖之间产生较大压力，造成主螺母、垫片和泵盖之间接触表面产生研伤。因垫片和泵盖材料均为硬度较低且材料特性较黏的奥氏体不锈钢，研伤相对较为严重，主螺母材料为马氏体不锈钢硬度相对较高，主螺母研伤较轻。

四、改进预案

为了有效防止主螺母、垫片和泵盖之间接触表面发生研伤，需要在三个零部件之间增加能起到防护作用零部件。

石墨材料固有润滑特性，首先考虑在主螺母、垫片和泵盖之间增加石墨垫片，石墨垫片有纯柔性石墨板和304齿板+柔性石墨两种。

再者考虑在主螺母、垫片和泵盖之间接触面涂润滑剂，且需要润滑剂应具有较大的粘度，在预紧力矩作用下也能够保留在三个零部件接触表面上而起到保护作用，选用主要成分为石墨的润滑剂，牌号为Neolube2。

五、试验检验

对于上述防止主螺母、垫片和泵盖发生研伤的改进方案必须通过试验进行验证其效果。分别进行了三种改进方案的试验，主螺栓预紧力矩达到1800Nm：

方案一：

主螺母、垫片和泵盖三个零部件之间增加304齿板+柔性石墨形式的石墨垫片。

试验结果：主螺母、垫片和泵盖三个零部件接触表面均未见研伤，效果良好。304齿板+柔性石墨垫片使用一次后报废。

方案二：

主螺母、垫片和泵盖三个零部件之间增加纯柔性石墨垫片。

试验结果：主螺母、垫片和泵盖三个零部件接触表面均未见研伤，效果良好。

方案三：

主螺母、垫片和泵盖三个零部件之间接触面涂Neolube2润滑剂。

试验结果：主螺母、垫片和泵盖三个零部件接触表面均未见研伤，效果良好。

试验清洁后垫片试验清洁后螺母

六、设计固化

防止主螺母、垫片和泵盖发生研伤所采取改进方案必须能够同时满足中压安注泵安装和长期稳定运行的需要，对上述三种改进方案对K3中压安注泵安装和运行影响进行如下风险分析：

方案一：304齿板+柔性石墨形式的石墨垫片

304齿板存在研伤主螺栓螺纹的风险，柔性石墨碎裂后残渣脱落，在泵长期运行过程中，柔性石墨对主螺栓预紧力矩有影响。

方案二：纯柔性石墨垫片

纯柔性石墨垫片碎裂后残渣脱落，在泵长期运行过程中，柔性石墨对主螺栓预紧力矩有影响。

方案三：Neolube2润滑剂

Neolube2润滑剂无残渣脱落，在泵长期运行过程中，Neolube2润滑剂对主螺栓预紧力矩有影响。

综合上述分析，确定了最终预防主螺母、垫片和泵盖接触面研伤的方案为在主螺母、垫片和泵盖接触面涂Neolube2润滑剂。

升版《K3中压安注泵机组总装配图》和《K3中压安注泵泵组安装调试运行维护手册》，增加了泵装配过程中在主螺母、垫片和泵盖接触表面涂Neolube2润滑剂的技术要求。

七、效果检验

K3中压安注泵在厂内多次的性能测试试验过程中经历了多次的装配和拆解，主螺母、垫片和泵盖未发生任何的研伤。

出口法兰弹簧垫片

弹簧垫片与法兰和螺母的接触面积较小，而预紧力矩较大。弹簧垫片硬度较高，而泵体进出口法兰及其反法兰材料均为经过固溶热处理的022Cr19Ni10奥氏体不锈钢锻件，硬度较低，同时相关零部件接触表面均没有相应的润滑措施。

经过上述排查，对进出口法兰及其反法兰进行了材料力学计算，在预紧力矩作用下，出口法兰及其反法兰有塑性变形的风险。在项目现场K3中压安注泵安装和拆卸过程中，弹簧垫片将会对进出口法兰、及其反法兰和连接螺母造成研伤的风险非常大，因此，必须进行相应的改进，升版了《K3中压安注泵机组总装配图》和《K3中压安注泵泵组安装调试运行维护手册》，作如下变更：

将泵进出口法兰连接螺栓用弹簧垫片更改为平垫片，材料为2Cr13。

在泵装配过程中，在进出口法兰及其发法兰、垫片和螺母接触表面涂Neolube2润滑剂。

九、总结

K3中压安注泵为科研项目，首台中压安注泵的加工、装配、试验是对设计方案的检验过，检验设计的合理性、可行性，并通过相应的技术改进增加中压安注泵运行的安全性和稳定性。

深入分析，避免在施加预紧力矩过程中紧固件与零部件接触面发生研伤，除了在紧固件和零部件接触表面增加润滑材料以外，还可以通过改变施加预紧力矩的方式来达到相同的目的：

采用液压拉伸器施加预紧力矩

螺柱中心孔加热方式施加预紧力矩

使用超级螺母施加预紧力矩。

总而言之，相比较在紧固件和零部件接触面之间涂润滑剂的方式是既不用改变原有结构设计，又非常经济简单的方式。