摘 要：三门核电有限公司采用了屏蔽主泵，与传统的压水堆轴封主泵相比具有诸多优点。文章通过介绍三门核电屏蔽主泵定子腔室氮气填充工艺，分析该工艺存在的问题，提出定子腔室氮气填充改进工艺，并分析了该工艺的可行性。通过三门核电冷试和热试期间的实际应用，确定改进后的工艺具有明显的优势，从而为三门核电屏蔽主泵定子腔室氮气填充工艺改进提供参考。
关键词：屏蔽主泵；定子腔室；氮气填充工艺
1 屏蔽主泵简介
1.1 概述
三门核电有限公司（以下简称三门核电）2个环路共设置4台屏蔽主泵（以下简称主泵），用于输送反应堆冷却剂，使其完成在堆芯、一回路环路以及蒸汽发生器之间的循环。每个环路的1台蒸汽发生器底部悬挂2台主泵，泵壳的进、出口分别与蒸汽发生器底封头出口接管和主管道冷管段焊接，主泵的重量由蒸汽发生器支撑。这种结构设计取消了主泵与蒸汽发生器之间的冷却剂管道，减小了环路压降，简化了蒸汽发生器、主泵和管道支撑系统。
1.2 结构特点
三门核电的主泵是由美国柯蒂斯怀特EMD公司设计的单级、全密封、高转动惯量、电动屏蔽泵。与泵联为一体的电机为N-10086-A1系列，为单绕组、四极、三相、屏蔽套式感应电机。主泵由变频器驱动和维持运行，并通过外置热交换器和定子冷却夹套对轴承、飞轮、电机等部件进行冷却。主泵叶轮布置在电机单元上部，并与电机共用一根轴，取消了联轴器装置。转子组件（包括水力部件和电机转子）由位于电机上部/下部的径向轴承以及推力轴承支撑。主泵在其承压壳体内包容定子组件和转子组件，承压边界包括泵壳、热屏、定子壳体和定子端盖等部件，承受一回路介质的全部压力。电机定子和转子均设置了密闭耐腐蚀的屏蔽套，避免了定子绕组和转子绕组与一回路介质接触。由于叶轮和泵轴包容在压力边界内，因此，不需要考虑轴封的泄漏，从而消除了由密封失效引发失水事故的可能性。主泵定子腔室设置有充/排气孔，用于定子腔室的抽真空与氮气填充工作。
2 主泵氮气填充工艺改进的必要性
2.1 主泵氮气填充工艺概述
主泵定子腔室氮气的填充工作在每个换料周期均需要实施，目的是为主泵电机定子绕组建立一个良好的运行环境，减少定子绕组在运行过程中与氧气等氧化物质的直接接触。在初次氮气填充操作中，定子腔室内所填充氮气压力略高于1个标准大气压。
2.2 主泵氮气填充工艺流程
主泵定子腔室填充氮气工艺过程为：拆下主泵定子腔室抽真空/氮气填充法兰盲板→连接抽真空/氮气填充管线→便携式真空泵对定子腔室抽真空→一回路抽真空→一回路充水→氮气源填充氮气（0.007MPa～0.01MPa之间且维持10分钟）→拆下氮气源并打开定子腔室与大气连通阀门，定子腔室氮气压力与大气压接近相同→关闭定子腔室与大气连通阀门→拆除抽真空/氮气填充管线→回装主泵定子腔室抽真空/氮气填充法兰盲板。定子腔室氮气填充流程如图1所示。
所供氮气源为15MPa/40L标准氮气瓶，氮气填充管路上设置的调节阀为自励式压力调节阀（设计压力为20.6Mpa，整定值为0～0.034Mpa），根据阀门出口压力调节阀门开度。同时，管路上设置的安全阀用于对定子腔室中氮气填充提供超压保护。
2.3 原主泵氮气填充工艺风险
按照西屋设计，主系统每次充水前都要进行主泵定子腔的抽真空和氮气填充作业。目前的氮气填充工艺是从高压氮气瓶经过两道减压阀，直接对主泵定子腔填充氮气。此过程中如果压力调节出现失误、减压阀失灵超压或者人员操作失误导致主泵定子腔室压力高于一回路冷却剂侧1psi，会造成主泵定子屏蔽套向转子腔室侧鼓包。定子腔室超压后，在不解体主泵的情况下无法检查定子屏蔽套是否鼓包，一旦定子屏蔽套出现鼓包损坏，需要主泵解体才能进行屏蔽套的更换。
主泵屏蔽套更换的主要过程为：拆除主泵吊装通道的大宗材料→拆除主泵→吊运主泵至热检修车间→主泵去污→主泵解体→主泵定子屏蔽套更换→主泵定子屏蔽套试验→主泵组装→吊运主泵至蒸发器隔间→回装主泵→回装主泵通道的大宗材料。从以上工序可以看出，主泵屏蔽套的更换不仅复杂且维修难度大，将会给核电厂带来严重的影响。
3 主泵定子腔室氮气填充工艺改进
为了避免出现主泵定子屏蔽套向转子腔室侧鼓包的风险，确保主泵氮气填充的顺利进行，缩短核电厂停堆时间，减少主泵故障对核电厂造成的经济性影响，本文提出采用中间过渡的方式对目前的氮气回填工艺进行改进。
3.1 改进后主泵定子腔室氮气填充工艺路径
改进后氮气填充工艺在高压氮气瓶和氮气填充管线间增加缓冲罐装置，缓冲罐作为一种中间过渡的安全装置，避免主泵定子腔室压力意外快速上升。缓冲罐设计压力为1.05MPa，并设置有压力表，用于检测充入缓冲罐内的压力。
改进后的定子腔室氮气填充工艺过程为：拆下主泵定子腔室抽真空/氮气填充法兰盲板→连接抽真空/氮气填充管线→便携式真空泵对定子腔室抽真空→一回路抽真空→一回路充水→将高压氮气瓶、缓冲罐装置连接至抽真空/氮气填充管线→氮气源填充氮气（0.007MPa～0.01MPa）之间且维持10分钟）→拆下氮气源并打开定子腔室与大气连通阀门，定子腔室氮气压力与大气压相同→关闭定子腔室与大气连通阀门→拆除抽真空/氮气填充管线→回装主泵定子腔室抽真空/氮气填充法兰盲板。改进后定子腔室氮气填充流程如图2所示。
3.2 改进后主泵定子腔室氮气填充工艺实施过程
试验过程中，先进行一个环路两台主泵定子腔室的氮气回填，再进行第二环路两台主泵的氮气回填。氮气填充工艺实施步骤：
（1）完成氮气填充在线，并准备两瓶高压氮气瓶；
（2）利用氮气瓶内高压氮气对缓冲罐进行吹扫；
（3）连接好缓冲罐与系统快速接头；
（4）控制氮气瓶减压阀，观察缓冲罐上压力表，将缓冲罐内氮气压力控制在 0.2MPa左右；
（5）慢慢打开氮气供应调节阀调节氮气回填速度，同时密切监视主泵定子腔室压力，确认氮气压力升高速度可控；
（6）将主泵定子腔室压力升至0.007MPa～0.01MPa，停止氮气回填。
3.3 主泵定子腔室氮气填充过程经验反馈
在三门核电一号机组冷试和热试期间，均出现过氮气填充管路的调节阀不能实现背压控制功能（不能将阀后压力控制在0.034MPa以内），故必须采用其他的减压措施来防止设备超压。增加缓冲罐以后，为氮气瓶出口的高压氮气提供了足够的膨胀空间，以更加可控的方式进行氮气回填，即使出现意外情况，也不会导致主泵定子屏蔽套的损坏。
系统运行规程规定在一回路充水后，压力在0MPa时进行氮气回填工作，为了进一步降低氮气回填的风险，规程将氮气回填步骤放在一回路压力升至2.2MPa时进行。氮气回填工作时间延后执行，期间如果主泵定子腔室真空度出现降低现象，可重新对定子腔室抽真空。
3.4 主泵定子腔室氮气填充工艺建议
由于调试工期紧迫，前期采购的缓冲罐为厂家标准容器，容积为1m3，重量达200kg，不便于现场运输及储存。后续可考虑将缓冲罐更换成柔性的氮气包，氮气填充时先将高压氮气瓶内的氮气充入柔性材料制作的氮气包内，充填压力略高于大气压力，氮气包的容积略大于主泵定子腔与管路总的容积。后续，氮气包接入主泵抽真空/氮气填充管线向主泵定子腔室充入氮气。由于氮气包外部一直受大气压作用，氮气填充过程是一个恒压过程，不会出现超压情况。另外，柔性氮气包可以折叠，运输和储存都很方便。
氮气回填工艺增加的缓冲罐是调试期间使用的工器具，不属于电厂正式设计的设备，不利于电站运行期间的正常使用。建议后续机组改进电站系统设计，在高压氮气瓶和氮气填充管线间增加缓冲装置，避免出现主泵定子屏蔽套向定子腔室侧鼓包风险。
主泵定子腔室上部氮气填充法兰空间狭窄，法兰安装质量不稳定，并且频繁拆装容易造成主泵本体上螺纹底孔的损伤。建议在主泵定子腔室抽氮气填充法兰后增加一段带有法兰的直管。
4 结束语
通过本文分析可以看出，三门核电屏蔽主泵定子腔室氮气填充工艺改进是必要的，并在一号机组冷试和热试期间验证后是可行的。通过在高压氮气瓶和抽真空/氮气填充管线间增加缓冲罐装置，大大降低在压力调节出现失误、减压阀失灵超压或者人员操作失误导致主泵定子屏蔽套向定子腔室侧鼓包的风险，为主泵氮气填充工艺的顺利进行提供了可靠的保障，从而减少主泵故障对核电厂造成的经济性影响。
另外，后续类似核电项目的屏蔽主泵，建议在定子腔室氮气填充工艺设计阶段增加中间缓冲装置，避免出现主泵定子屏蔽套鼓包风险，确保屏蔽主泵氮气填充工艺的顺利进行。
参考文献
[1]美国西屋公司.AP1000反应堆冷却剂泵[J].黄成铭译.国外核动力，2007（6）.
[2]李松，董宝泽.浅谈三门核电厂屏蔽主泵维修方案规划[M].核电，2014.
