核电站主给水泵组叶轮疲劳失效原因分析及低流量运行期间控制策略说明

0 引言

核电站主给水系统（APA）在各种运行工况下参与完成“确保蒸汽发生器给水供应”的主功能。在机组启动停运期间，当热功率小于 4%Pn 且一回路温度大于120℃时，由启动给水系统（AAD）系统保证蒸汽发生器的供水。但是当AAD 系统为蒸汽发生器供水功能不可用时，每台APA 都可以通过AHP 系统为蒸汽发生器供水。国内某电站每台机组有4 台电动主给水泵，每台泵在额定功率下有33%的供水能力。每台主给水泵组包括一台增压泵和一台压力级泵以及一台液力耦合器以实现无级变速功能。

1 设备故障信息说明

2018 年7 月，1 号机组核功率24%NP，APA4 号泵跳闸，主控显示报警信息为APA4 号泵轴偏移高。KNS显示 1APA4150PO-径向位移最高 182μm（跳泵值 168μm. ），轴承温度最高76℃（跳泵值95℃）。

2019 年6 月，2 号机组核功率24%NP，APA2 号泵流量稳定在2600 方左右，突然 APA 压力级泵轴振高2，泵组跳泵。

2019 年 7 月，1 号机组核功率 57%NP ，降功率到 23%NP，APA3 号泵供水量由 3000 方降低到 2560 方，APA4 号泵处于小流量运行模式。低流量运行时 APA3 号泵轴振突然升高，振动值达到仪表满量程，手动停泵。后续电厂维修专业对泵开始解体工作，泵芯包抽出，发现驱动端侧叶轮盖板断裂。

2 叶轮断裂原因分析及控制策略说明

2.1 叶轮的疲劳断裂原因分析

叶轮的疲劳断裂原因主要有两个方面，一是材料自身的加工或制造缺陷，二是泵的运行情况的变化导致叶轮运行环境的恶化。

1．叶轮制造缺陷

相关检测机构提交未开裂部分叶轮的理化检验初步结果：

 叶轮各取样位置的化学成分、拉伸性能和冲击性能满足材料要

 叶轮各取样位置组织未见明显异常，但组织粗大区域可能存在局部淬火加热温度过高或者淬火加热保温时间长等问题导致原奥氏体晶粒粗大；此外，宏观上发现的白色亮点区域显微组织为铸态枝晶组织，为补焊后的焊缝区组织。

 送检叶轮取样的布氏硬度测试值在342~371HBW 之间，明显高于GB/T 6967 中对相近牌号要求的上限值 294HBW。

从上述结果可以看出，材料的硬度明显高于相近牌号的上限值，而且叶轮材料存在补焊的情况。

2.低流量运行和泵启停过程中导致的泵振动增加

从上述泵发生故障的时间点来看，跳泵的表面原因就是泵的振动增大，而泵振动大的时段往往是泵流量较低或以小流量运行的时段。泵的运行流量较低时往往有如下影响：

 由于冲角加大等因素，泵的抗汽蚀性能变坏，必需汽蚀余量增加。

 由于二次回流的存在，造成泵压力脉动，振动，噪声增加 导致泵的轴向力、径向力增加，对结构强度不利。

 高比转速泵，在小流量区域呈现不稳定区。随流量降低，APA 轴振和瓦振偏大，振动会产生交变载荷，加速疲劳失效。

 泵启停时，叶轮转速大幅变化，容易促使裂纹萌生，加速疲劳失效。

针对叶轮材料的制造和加工缺陷，目前检测机构院并未给出确定的结论，但其分析认为，小流量运行对叶轮的疲劳累积损伤是导致叶轮疲劳断裂的重要因素。因此，本文重点就机组调峰或低功率运行时如何避免APA泵组在低流量运行进行分析，并给出相应控制方法。

2.2 APA 泵组在低流量运行时的控制策略说明

根据上述原因分析，为保证在机组低功率运行时 APA 泵良好的运行状态，必须提高在该阶段的运行流量。正常运行时，只能通过控制 APA 泵再循环阀的开度来改变APA 泵的流量。根据设备手册，为保证泵的最小运行流量，每台泵设计有两条再循环管线，当泵流量达到约2600m³/h 时（了避免所有给水泵的给水泵流量调节阀在同一时间同时开启，每台给水泵的最小流量整定值设置略有不同），再循环管线开启。

但是根据机组的运行经验，该流量并不能保证设备正常运行，必须进行手动干预。APA 泵的再循环阀配置制定了如下可行方案：