田湾核电站主泵轴承汽蚀磨损CFD研究

田湾核电站采用水润滑轴承,在核电厂运行中轴承释热率一直偏高,轴瓦存在较严重的磨损。针对主泵轴承的出现的问题,采用计算流体动力学(CFD)方法分析主泵轴承动静轴瓦之间微小空间内流体的流动特性和压力分析。分析表明:主泵轴承释热率偏高和频繁磨损的根本原因是轴承室空化汽蚀;空化汽蚀的发生是由局部区域的流动加速效应引起的。     

核主泵推力轴承断冷却水工况磨损机理研究

核主泵在核电厂断水工况下,其推力轴承失去冷源换热,推力轴承润滑介质将因轴承温度上升而不断提高润滑介质的温度,并伴随发生较复杂的热瞬态工况。当推力轴承润滑液膜厚度严重降低时,因液膜厚度不足而引发摩擦副的部分接触磨损。对某台核主泵断水试验后拆机检查,并经润滑分析断水运行工况下的磨损规律,断水工况磨损后若再进行全厂断电（SBO）惰性停机,瓦面随着磨损深度增加,轴承油膜厚度降低至无法可靠运行程度,损耗增加且伴随着油膜温度超过巴氏合金运行极限温度110~120℃,易引发轴承严重磨损。本研究可为优化轴承及提高磨损后SBO惰性停机的耐磨损能力提供理论支撑。      

AP1000核主泵排气过渡工况下瞬态流动特性研究

为了研究核主泵在排气过渡工况下的气液两相流瞬态流动特性,基于非均相流模型,采用CFX软件对核主泵排气过渡工况进行瞬态数值模拟,通过分析叶轮、导叶流道内的压力脉动、涡量变化及速度分布,得到了排气过渡过程的流动变化规律。研究结果表明：气液两相工况下,叶轮各流道内气相、液相的不均匀分布及两相之间的滑移作用,导致叶轮径向力产生大幅度波动;核主泵采用的扭曲型径向导叶,在进口含气率较高的工况下,其流道内易产生气泡堆积现象,使过流面积减小,产生较大的能量损失;核主泵类球形蜗壳的对称性结构,使左侧类隔舌部位出现低流速区,堵塞了部分出口流道,这也是核主泵排气过渡工况运行不稳定的重要原因。     

反应堆主泵径向止推轴承水润滑回路自主改造创新

田湾核电站一期工程两台机组1391M型反应堆主泵径向止推轴承采用水润滑方式,是在世界大型商用压水堆中首次应用。由于原型设计存在缺陷,导致了一系列运行事件。江苏核电有限公司针对设计缺陷进行了自主技术改造创新,成功降低了主泵径向止推轴承释热率,缓解或避免了轴瓦的＂空化＂磨损,改善了径向止推轴承冷却效果。文章对主泵径向止推轴承水润滑回路的改造原因、改造设计方案与实施准备、实施情况与改造效果评价、后续工作计划等方面进行了详细的介绍。     

海水泵泵轴腐蚀原因分析及对策

通过浸泡试验和电化学试验对泵轴材料3Cr13的耐蚀性进行了研究。结果表明,3Cr13、镀铬层在海水中不耐局部腐蚀;且3Cr13的自腐蚀电位比其他海水泵部件低,易受电偶腐蚀。综合分析认为导致4号海水泵泵轴腐蚀的根本原因在于泵轴材料3Cr13在海水中不耐局部腐蚀,并在装配间隙、电偶效应等条件的驱动以及泥沙的磨损作用下,发生缝隙腐蚀、电偶腐蚀和磨损腐蚀,加速了泵轴基体的腐蚀进程,从而导致泵轴因腐蚀而失效。建议改进密封和选用耐蚀性更好的替换材料。     

钍基核能系统熔盐泵液下轴承偏心率对支撑特性的研究分析

随着钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System,TMSR)由实验堆向研究堆、示范堆及商用堆发展,其轴系演变为由液下轴承支承的细长柔性转子结构。高温熔盐泵是钍基核能系统的主要动力部件,是TMSR的心脏设备。熔盐泵的运行稳定性和可靠性取决于液下轴承的支撑特性。本文采用数值模拟对液下轴承进行理论计算分析,并结合试验研究了不同偏心率对液下轴承支撑特性的影响。结果显示:随着转速增大,液下轴承的偏心率不断减小;随着偏心率的增大,液下轴承支撑的正交刚度和阻尼不断增大,交叉刚度和阻尼的数值也不断增大,液下轴承的最小液膜厚度不断减小。当偏心率大于0.6时,由于最小液膜厚度较薄,液下轴承的压力以零和零梯度结束。此时液下轴承在实际运转中存在液膜失效导致液下轴承磨损严重,此结果在试验中得到了验证。本文研究成果为超高温长轴熔盐泵液下轴承的设计提供了理论指导和试验数据支撑。     

华龙一号某机组主泵推力轴承优化改进分析

华龙一号某机组三轴承结构设计的主冷却剂泵（简称主泵）在进行小流量试验时,出现推力轴承磨损问题,通过对主泵推力轴承结构进行分析,利用鱼骨图根本原因分析方法,对导致推力轴承磨损的可能原因进行逐一排查分析,根据排查结果,提出采用多喷嘴联合供油设计、在主推力轴承和副推力轴承的油膜吸入口处增加吸油倒角设计、在原有顶轴油设计基础上增加反向副推力轴承顶轴油结构设计、建立推力轴承温度-油温的综合测量系统及采用弹簧板主动补偿式推力轴承支撑结构等改进方法。经试验验证,改进后的主泵推力轴承系统显著提升了华龙一号某机组主泵的运行可靠性和固有安全性。      

在役AP1000主泵锁紧杯断裂故障原因分析

三门核电厂2号机组首循环连续运行期间,发生了大型屏蔽电机主泵故障事件,导致机组停运。为分析主泵故障发生的原因,基于故障特点和原因分析方法论,制定了主泵故障排查的根本原因分析方法;通过排查主泵制造记录、评估现场运行数据、拆检取证、设计分析与试验验证、根本原因分析评估,最终确认主泵故障原因是下推力盘锁紧杯受周围流场流体激励作用发生局部共振,初始缺陷在共振作用下持续扩展并最终导致锁紧杯断裂,进而磨穿主泵屏蔽套并导致主泵故障。本研究建立的根本原因分析方法可为同类问题的原因分析和问题处理提供参考。      

反应堆冷却剂泵动压机械密封的工程开发与应用

反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）轴密封由3级相同的动压机械密封串联组成，是主泵的心脏，其泄漏量直接决定主泵能否正常运行。本文提出了一种新型的挤压变形研磨法完成动压机械密封的制造，应用挤压变形工装和金属垫片使静环产生变形，在密封端面研磨出9个波形槽。功能实验表明，新型的机械密封在考核压力下的低压泄漏量满足主泵轴密封的设计要求；压力突变工况下的冲击考核实验表明，新型的动压机械密封摩擦副之间的液膜刚度未发生破坏，未出现密封失效。本文研发的动压机械密封在核电厂的运行状况与实验结果完全吻合，充分证明了该新型动压机械密封具有极高的工程应用可靠性。      

主泵两相降级对大破口失水事故的影响研究

大破口失水事故过程中,主泵的工作范围覆盖了单相液、气液两相和单相气工况。在两相工况下,主泵的扬程和转矩发生降级。对于AP1000核电厂,WCOBRA/TRAC被用于大破口失水事故分析,其现有的主泵两相降级数据来源于西屋W93A主泵。为正确模拟AP1000主泵在大破口失水事故过程中的热工水力特性,需对其两相降级特性进行研究。本研究分别采用国际上广泛使用的SEMISCALE和EPRI/CE主泵的两相降级数据进行AP1000冷段双端断裂事故的计算分析,并与原有W93A的计算结果进行对比。结果表明,AP1000主泵两相降级特性对反应堆冷却剂系统压力、破口流量和安注箱流量影响不大。相比于SEMISCALE和EPRI/CE,现有的W93A的两相降级数据将导致更低的堆芯冷却流量和更高的包壳峰值温度最大值,计算结果相对偏于保守。     

深槽型主泵机械密封液膜特性分析

采用结合三维有限元分析与基于经典摩擦理论的密封液膜流场分析相结合的方法,针对某新型核反应堆冷却剂泵（简称核主泵）机械密封的6种密封面方案进行分析研究,对比各方案的液膜厚度、接触载荷、名义磨损率、低压泄漏率等关键参数。计算结果表明,6 mm槽宽的设计方案是一组性能较为平衡的设计,其密封面的性能输出特征与某进口成熟机械密封类似且略优于进口型号;带有低压补偿的直线槽方案能够大幅延长密封面寿命,但同时带来了更高的低压泄漏率。      

启停对推力轴承可靠性与阻力矩的影响测试

为了测试反复启停对钠冷快堆（SFR）一回路主泵推力轴承可靠性和阻力矩的影响，采用适用于小样本的分散系数法设计了可靠性统计方案，制造了3套巴氏合金推力瓦和1台上部组合轴承样机，设计并搭建了试验台，测试了启动阻力矩随停机加载时间的变化情况，模拟推力轴承的真实情况并开展了反复启停试验。试验研究表明，启动阻力矩均会随着停机加载时间的延长而不断增大；反复启停对推力瓦的磨损寿命影响较小，置信度0.9时，推力轴承启停125次不发生失效的可靠度超过0.99996；反复启停会影响推力轴承的阻力矩，随着启动次数的增多，推力轴承的阻力矩呈缓慢上升趋势，证明开展主泵电机启动能力设计时，必须要考虑启停次数的影响。本文研究可为主泵电机启动能力设计提供参考。      

Friction and Wear of Ball Bearings in Liquid Sodium

An experimental study on the friction and wear properties of ball bearings has been conducted in liquid sodium at 400°C. Out of a number of materials compatible with sodium, Stellite 6, Hastelloy C and austenitic stainless steel (AISI 316) were chosen. A medium size, single-row, deep groove, radial type ball bearing was selected for the form of test bearings. The following conclusions were obtained from this study:

(1) Of the three materials, the hardest material (Stellite 6) showed the highest resistance against wear, and the greatest recovery effect from friction.

(2) Liquid sodium appears to contribute little as lubricant, due to its low viscosity and extremely high chemical activity. No tendency toward self-welding was, however, observed at temperatures up to 400°C, despite the mean compression stress applied having been over three times the yield strength.

(3) The wear of ball bearings in liquid sodium is considered to be caused by local sliding friction. The wear rate is higher the softer the material in contact.     

核电厂反应堆主泵推力轴承启动阻力矩测试方法

为了获得核电厂反应堆主泵推力轴承在寿期内的极限启动阻力矩,确保执行事故余热排出功能的辅助电机可以在极端工况启动主泵,提出了推力轴承启动阻力矩（指启动瞬间的阻力矩）的测试方法并设计了试验装置,采用正交试验法对影响推力轴承启动阻力矩的3个影响因素（粗糙度、比压、润滑油温）进行研究,采用单因素法测试不同停机时间（指静止加载时间）对推力轴承启动阻力矩的影响,研究表明3个影响因素在规定的控制范围内变化时,启动阻力矩变化较小,而停机时间对推力轴承启动阻力矩影响较大。基于试验确定的极限启动阻力矩开展辅助电机设计,通过了推力轴承样机与主泵样机的反复启停试验验证。本文研究可为辅助电机启动阻力矩的设计提供准确可靠的输入。      

圆柱型感应式钠电磁泵自然对流下的三维温度场仿真研究

钠电磁泵国产化设计研发对钠冷快堆电站具有重要意义,而电磁泵运行过程中产生的热量会严重影响其安全运行。因此,电磁泵温度场的分析研究对其设计、制造及运行监测十分重要。本文以流量为10 m~3/h,扬程为0.5 MPa的圆柱型钠电磁泵为研究对象建立三维模型,并基于有限元计算分析方法,对电磁泵在不同负荷和工况下进行三维温度场的计算和分析。计算结果显示,影响电磁泵绕组线圈散热的主要热源为泵沟内部高温钠的导热,电磁泵绕组线圈在电流为30 A的工况下,最高温度约为493.4 K(220.4℃),接近其设计限值513 K(240℃)。同时,本文通过采用更高绝热系数隔热材料,减少高温钠热量的径向传递,有效地降低了电磁泵绕组线圈的温度,使其最高温度降至468.1 K(195.1℃),满足长期安全运行的要求。最后通过试验数据验证了仿真计算模型与计算结果的准确性。     

Application results of a prototype ultrasonic liquid film sensor to a 7 MPa steam–water two-phase flow experiment

A prototype ultrasonic liquid film sensor was applied to a high-temperature steam–water two-phase flow experiment. The liquid film sensor was vertically installed in a loop which was connected to HUSTLE, a multi-purpose steam source test facility. The hydraulic diameter of the measurement section was 9.4 mm. The output waveforms of the sensor were acquired with a digital oscilloscope. The fluid temperature and system pressure were kept at 288 °C and 7.2 MPa, respectively, during the experiment. The pulse-echo method was used to calculate the liquid film thickness. The cross-correlation calculation was utilized to determine the time difference between the pulse reflected at the sensor surface and the pulse reflected at the liquid film surface. The time-averaged liquid film thicknesses were less than 0.055 mm in the annular flow condition. The increase of the time-averaged thickness was small with the change of the gas momentum flux. The film thicknesses measured with the sensor were compared with the past experimental results; the former were smaller than one-fourth of the thickness estimated as the mean film thickness. The comparison results suggested that the continuous liquid sublayer thickness was measured with the liquid film sensor.     

Frequency of Undulations on a Falling Water Film

An experimental study has been undertaken on the frequency of presented by the undulations occurring on the surface of a falling liquid film. The configuration of the film surface was observed by measuring the changes in the film thickness by means of a capacitometer. The flow regime was in the range of turbulent flow region, in which the undulations occur prominently and travel down along with the fluid film. The undulations proceed downward in an almost fixed pattern. The frequency of the passage of crests observed from a fixed point was evaluated from power spectral analysis to be about 20–30Hz, and this value changed very little with the Reynolds number and with heat flux applied to the falling liquid film. It is shown that this constancy of observed frequency is related to the fact that the large undulations move at the same velocity as the bulk of the fluid film, and that the speed of propagation is corresponding to a group velocity for ripples on the film surface.     

CPR1000机组100D型主泵振动故障诊断

CPR1000机组各运行模式下100D型主泵的振动现象表明,当处于蒸汽发生器冷却正常停堆或余热排出冷却正常停堆工况时,主泵电动机的瓦振幅值往往存在大范围冲击波动甚至触发振动高报警的现象。根据机械振动原理综合分析电动机瓦振、主泵轴位移信号的频域和时域特征,诊断振幅波动受某7~9Hz的低频随机振动影响;通过分析堆内构件振动噪声监测系统采集的信号判断该低频振动对应一回路主冷却剂流动过程中诱发的堆芯吊篮梁式振动。根据流体诱发振动理论分析了影响主泵电动机振动波动的主要因素,并通过主泵历史运行记录进行了验证。系统性提出优化CPR1000机组运行策略缓解主泵电动机振动波动的建议,为主泵安全稳定运行提供参考。