雷明凱,劉志碩,張書(shū)姣,王偉光,朱小鵬,李夢(mèng)啟,郭東明
(1. 大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024;2. 哈電集團(tuán)哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)
先進(jìn)壓水堆核電站中,核主泵是驅(qū)動(dòng)核島內(nèi)高溫高壓高放射性工質(zhì)水循環(huán),將反應(yīng)堆芯核裂變熱能傳遞給蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的核心裝備。作為承壓邊界內(nèi)唯一連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的裝備,在運(yùn)行、啟停、事故和災(zāi)變工況運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和承壓邊界完整性直接影響堆芯安全,決定了系統(tǒng)的可靠性[1,2]。以1500 MWe壓水堆核電站“國(guó)和一號(hào)”大功率屏蔽式核主泵為例,設(shè)計(jì)壓力17.3 MPa,運(yùn)行壓力15.5 MPa,流量21 642 m3/h,揚(yáng)程111 m,設(shè)計(jì)溫度350 ℃,屏蔽電機(jī)熱態(tài)額定功率為6.7 MW,屏蔽電機(jī)工作效率約為70%,泵部分工作效率約為85%,使役壽期為60年。全工況大流量、高效率、超長(zhǎng)使役條件下,關(guān)鍵零部件的易維護(hù)、免維護(hù)等極端性能要求,帶來(lái)了核主泵高性能制造的難題,核主泵可靠性分析和驗(yàn)證成為大功率核主泵研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3,4]。
核主泵可靠性評(píng)估主要通過(guò)故障樹(shù)分析和可靠性框圖技術(shù),使用關(guān)鍵零部件的故障率和平均修復(fù)時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析。統(tǒng)計(jì)核電站運(yùn)行數(shù)據(jù),核主泵零部件故障導(dǎo)致的系統(tǒng)年度至少停機(jī)1 h/a,依據(jù)不同失效行為可能導(dǎo)致的上述后果,確定關(guān)鍵零部件及其主要失效模式,AP1000屏蔽式核主泵的不適用性約為3.50 h/a[5]。在核主泵關(guān)鍵零部件可靠性評(píng)估中,對(duì)于單一模式失效,基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型建立零部件失效的性能函數(shù),利用決定零部件性能的隨機(jī)變量計(jì)算系統(tǒng)的可靠度[6]。對(duì)于多模式失效的核主泵零部件,通過(guò)繪制故障樹(shù)確定各個(gè)零部件失效模式間的體系類(lèi)型,分別按照串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度計(jì)算[7,8]。由于核主泵性能與其幾何、材料、結(jié)構(gòu)密切相關(guān),并且受到制造工藝和使役條件的顯著影響,零部件不同失效模式的共因變量導(dǎo)致之間具有相關(guān)性,若將可靠度直接按照串并聯(lián)體系進(jìn)行可靠度計(jì)算,結(jié)果不可避免的存在較大誤差。近年來(lái),先進(jìn)制造的系統(tǒng)可靠性研究不斷取得進(jìn)展,不僅應(yīng)用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)體系可靠性分析,而且基于靈敏度和可靠度計(jì)算實(shí)現(xiàn)裝備的幾何精度分配和補(bǔ)償[9-11]。采用基本隨機(jī)變量描述的性能函數(shù),通過(guò)隨機(jī)變量分布類(lèi)型轉(zhuǎn)換及相關(guān)性評(píng)估,結(jié)合失效模式之間關(guān)聯(lián),為包括疲勞、蠕變、磨損、腐蝕、共振、塑性變形等多種失效模式的可靠性研究提供了有效的手段[12-14]。
本文針對(duì)核主泵關(guān)鍵零部件高性能制造的可靠性要求,發(fā)展了一種核主泵系統(tǒng)可靠性分析方法。首先,建立全工況失效模式下隨機(jī)變量相關(guān)的性能函數(shù),采用一次二階矩法計(jì)算各個(gè)失效模式的可靠度,其次,考慮不同失效模式之間的相關(guān)性,根據(jù)核主泵系統(tǒng)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)可靠度計(jì)算轉(zhuǎn)化為多維正態(tài)積分求解,通過(guò)微分等效遞歸算法降維計(jì)算系統(tǒng)可靠度,最后,以核主泵關(guān)鍵部件—推力軸承定位機(jī)構(gòu)為例,計(jì)算在沖擊疲勞和磨損兩種相關(guān)的失效模式下定位機(jī)構(gòu)的可靠度,驗(yàn)證核主泵系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法的適用性。
大功率核主泵主要包括水力部件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、推力軸承、惰轉(zhuǎn)飛輪,以及承壓邊界等關(guān)鍵零部件。圖1給出了大功率屏蔽式核主泵關(guān)鍵零部件的多物理場(chǎng)耦合作用關(guān)系圖。核主泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由葉輪、導(dǎo)葉、熱屏、泵軸、電機(jī)定轉(zhuǎn)子、飛輪等組成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),依靠徑向和軸向推力軸承支承,具有高度的非穩(wěn)態(tài)和非線(xiàn)性響應(yīng)特點(diǎn)。核主泵關(guān)鍵零部件不僅承受全工況下流固熱電磁等多物理場(chǎng)的強(qiáng)耦合作用,而且在高溫高壓高放射性環(huán)境中發(fā)生材料老化和結(jié)構(gòu)功能退化,導(dǎo)致決定核主泵性能的隨機(jī)變量異化多元,造成系統(tǒng)的失效關(guān)系極其復(fù)雜。
鑒于核主泵系統(tǒng)及其零部件制造特征的差異,遵循表面完整性關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)與零部件分層結(jié)構(gòu),通過(guò)各制造工藝造成零部件表面完整性變化的串聯(lián)關(guān)系,系統(tǒng)和零部件性能共享的裝配表面完整性變化的并聯(lián)關(guān)系,進(jìn)行高性能制造的設(shè)計(jì)和加工集成的建模和求解?;谙到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)和零部件制造熱力學(xué),建立由設(shè)計(jì)單元和制造工藝單元共同構(gòu)成的物理模型,確定關(guān)鍵零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu),及加工、裝配工藝與其大流量、高效率,高可靠性之間的定量關(guān)系[15]。在設(shè)計(jì)單元依據(jù)使役條件對(duì)系統(tǒng)的影響,利用流固熱電磁等多物理場(chǎng)分析,建立葉輪水力、軸承支承力、飛輪間隙環(huán)流作用力、轉(zhuǎn)子偏心磁拉力,以及各個(gè)零部件熱應(yīng)力等載荷作用下系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣,獲得各零部件節(jié)點(diǎn)的加速度、速度及位移,同時(shí)傳遞到各個(gè)零部件,確定加載的局部使役條件。在加工單元依據(jù)核主泵零部件加工、裝配的幾何、材料、結(jié)構(gòu)參數(shù),以及機(jī)械能、熱能、界面能和零部件性能等變化,通過(guò)更新系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算條件,實(shí)現(xiàn)由零部件到系統(tǒng)加工、裝配的各個(gè)工藝鏈的制造過(guò)程。利用面向材料正則化(MOR)的求解方法,將核主泵幾何、材料、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)多源約束的不適定關(guān)系,轉(zhuǎn)化為優(yōu)化這些參數(shù)的適定問(wèn)題,構(gòu)造反問(wèn)題求解的高靈敏度矩陣,協(xié)同優(yōu)化滿(mǎn)足核主泵性能的高性能制造的幾何、材料、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。在核主泵零部件性能試驗(yàn)中,如果關(guān)鍵零部件性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,根據(jù)具體失效模式下制造工藝與表面完整性的高靈敏度特征關(guān)系,對(duì)關(guān)鍵零部件更新工藝方法,直至新工藝參數(shù)制造的零部件性能通過(guò)試驗(yàn)。在后續(xù)的核主泵系統(tǒng)性能試驗(yàn)中,如果關(guān)鍵零部件性能未滿(mǎn)足要求,選擇更新初始設(shè)計(jì),重新進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造耦合的求解優(yōu)化,直至核主泵產(chǎn)品通過(guò)性能試驗(yàn)。
圖1 大功率屏蔽式核主泵關(guān)鍵零部件的多物理場(chǎng)耦合作用關(guān)系圖Fig.1 The canned primary coolant pump with multi-physical fields coupled interaction between multiple components
表1給出了核主泵高性能制造的關(guān)鍵零部件性能及主要失效模式一覽表。核主泵在使役工況下零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)參數(shù),以及加工工藝參數(shù)的多元耦合關(guān)系,共同影響核主泵及其關(guān)鍵零部件的失效行為。采用核主泵設(shè)計(jì)與加工參數(shù)為代表的主要隨機(jī)變量表征的性能函數(shù),計(jì)算核主泵大流量、高效率,高可靠性等性能,同時(shí)結(jié)合核主泵關(guān)鍵零部件和系統(tǒng)的性能試驗(yàn)結(jié)果,綜合辨識(shí)各個(gè)失效單元及其主要失效模式。以推力軸承為例,可傾式推力瓦、定位機(jī)構(gòu)和支承機(jī)構(gòu)是主要部件,提供高承載、均載穩(wěn)定能力和自潤(rùn)滑耐磨損性能[16,17]。由于全工況下混合潤(rùn)滑狀態(tài)與流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)之間固有的矛盾,作為核主泵中最關(guān)鍵的定期更換部件,也是制造難度最大的部件。推力軸承可傾式推力瓦選用強(qiáng)韌性?xún)?yōu)異且具有自潤(rùn)滑摩擦性能的碳纖維增強(qiáng)聚芳醚熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料,推力瓦許用磨損深度小于500 μm,定位機(jī)構(gòu)抗沖擊壽命大于6000次,磨損量不大于50 μm,支承機(jī)構(gòu)腐蝕磨損量小于25 μm,保證徑向推力軸承承受載荷150~170 kN,最大偏載率不大于15 %的性能要求。核主泵全流量試驗(yàn)表明,在全工況高速重載條件下推力軸承具有高動(dòng)壓潤(rùn)滑的承載性能,對(duì)加工、裝配和使役產(chǎn)生的動(dòng)力結(jié)構(gòu)偏差高度自適應(yīng)調(diào)整的均載性能,以及啟停、失水等瞬變與極端工況下良好的自潤(rùn)滑和耐磨損性能。
表1 核主泵高性能制造的關(guān)鍵零部件性能及其主要失效模式一覽表Table 1 Key component performance and their main failure modes of high-performance manufacturing of the primary pump
針對(duì)核主泵高性能制造的設(shè)計(jì)與加工參數(shù)之間存在的多元耦合關(guān)系,考慮影響核主泵性能的隨機(jī)變量相關(guān)性,建立核主泵關(guān)鍵零部件單一失效形式的可靠性分析方法。
決定核主泵零部件性能B=gZ(Z1,Z2,…,Zn)的隨機(jī)變量為Z=[Z1Z2…Zn]T,Z通常呈正態(tài)分布,n為隨機(jī)變量數(shù)。隨機(jī)變量的相關(guān)性采用相關(guān)系數(shù)矩陣ρ=[ρij]n×n表征,其中i=1,2,…,n,j=2,3,…,i-1,將正態(tài)分布隨機(jī)變量Z通過(guò)Cholesky分解轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的正態(tài)分布隨機(jī)變量,再進(jìn)一步正則化處理,轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)變量參數(shù)X=[X1X2…Xn]T,X的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為μXi,σXi。
(1)
式(1)中,靈敏度向量αX的系數(shù)為
(2)
靈敏度向量αX的幾何意義是gX(Xi)=0的近似切平面的外法線(xiàn)向量。由此,設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)和可靠性指標(biāo)之間的關(guān)系為
(3)
核主泵設(shè)計(jì)與加工參數(shù)之間存在的多元耦合關(guān)系,導(dǎo)致核主泵系統(tǒng)的失效關(guān)系極其復(fù)雜,同時(shí)存在著多個(gè)失效單元和失效模式。核主泵高性能制造的可靠性不僅取決于系統(tǒng)與零部件的各個(gè)失效模式之間邏輯形式與相關(guān)性,而且涉及失效模式內(nèi)部的邏輯形式和相關(guān)性,因此,核主泵系統(tǒng)的失效概率Pf依據(jù)高性能制造的零部件失效故障樹(shù)結(jié)構(gòu),由串聯(lián)體系的失效概率Psf和并聯(lián)體系的失效概率Ppf組合獲得。若核主泵關(guān)鍵零部件的失效模式數(shù)為m,利用隨機(jī)變量決定關(guān)鍵零部件性能函數(shù)B的關(guān)系,串聯(lián)體系的失效概率可表示為
=1-Φm(β:Ρ)
(4)
(5)
式(5)中,αk,αl分別為第k和第l個(gè)失效模式對(duì)應(yīng)的靈敏度系數(shù)。通過(guò)計(jì)算失效模式之間的相關(guān)系數(shù),確定系統(tǒng)失效的相關(guān)系數(shù)矩陣Ρ。
同理,并聯(lián)體系的失效概率也可表示為
(6)
因此,核主泵系統(tǒng)由串并聯(lián)構(gòu)成的混聯(lián)體系,體系失效概率可表示為
(7)
因?yàn)閄i為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)變量參數(shù),標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)概率密度累積分布函數(shù)可計(jì)算得
(8)
(9)
獲得降維的關(guān)系式
Φm(β,Ρ)=Φ(b(m))
(10)
通過(guò)核主泵高性能制造的關(guān)鍵零部件性能計(jì)算分析和試驗(yàn),辨識(shí)隨機(jī)變量相關(guān)的關(guān)鍵零部件主要失效單元和失效模式,采用核主泵失效模式相關(guān)的系統(tǒng)可靠性分析方法,進(jìn)行大功率核主泵系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件可靠性評(píng)估。以大功率屏蔽式核主泵軸向推力軸承為例,每塊推力瓦通常各有一組徑向和軸向定位機(jī)構(gòu)。作為推力軸承關(guān)鍵部件的定位機(jī)構(gòu),其功能是限制可傾式推力瓦自適應(yīng)條件下周向移動(dòng)和擺動(dòng),保證推力軸承有效的動(dòng)壓潤(rùn)滑作用和均載功能。圖2給出了屏蔽式核主泵軸向推力軸承及其定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。軸向推力軸承定位機(jī)構(gòu)由定位銷(xiāo)釘、定位塊和固定螺釘構(gòu)成,定位銷(xiāo)和定位塊材料為17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼,表面采用超音速火焰噴涂WC-Ni系硬質(zhì)合金涂層結(jié)構(gòu),涂層厚度200~300 μm。定位機(jī)構(gòu)承受的高沖擊載荷,是定位銷(xiāo)、定位塊沖擊疲勞失效和磨損失效的主要原因。定位機(jī)構(gòu)各個(gè)失效模式的性能函數(shù)中承受的總載荷分布一致,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量定位銷(xiāo)、定位塊初始裂紋長(zhǎng)度、磨損距離,擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得隨機(jī)變量的分布結(jié)果。表2給出了推力軸承定位機(jī)構(gòu)的隨機(jī)變量分布以及計(jì)算的隨機(jī)變量相關(guān)系數(shù)。定位機(jī)構(gòu)可靠度直接影響推力軸承的可靠度,進(jìn)而決定核主泵的系統(tǒng)可靠度。
圖2 屏蔽式核主泵軸向推力軸承定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of the positioning mechanism in thrust bearings of the canned primary coolant pump
表2 核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)的隨機(jī)變量分布和相關(guān)系數(shù)Table 2 Random variables distribution and their correlativity for the positioning mechanism in thrust bearings of the canned primary coolant pump
軸向推力軸承定位銷(xiāo)、定位塊沖擊疲勞可靠度的性能函數(shù)g1(Zi)為
g1(Zi)=Nn-Nf
(11)
式(11)中,Nf為失效的沖擊疲勞壽命,Nn為許用的沖擊疲勞壽命?;赑aris公式和Miner線(xiàn)性累積損傷理論[20],
(12)
式(12)中,WC-Ni硬質(zhì)合金涂層厚度h=200 μm的17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼定位銷(xiāo)、定位塊,在多重交變應(yīng)力作用下,WC粒子之間存在的微觀缺陷是主要沖擊疲勞裂紋源,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至整個(gè)涂層造成零件的失效破壞。定位銷(xiāo)、定位塊設(shè)計(jì)要求在60年使役過(guò)程中,間歇承受λ1=0.5的推力瓦承載的沖擊載荷作用,平均啟停沖擊次數(shù)6×103。常數(shù)A,ξ估計(jì)值分別選為2×10-8和2.15。表3給出了核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)沖擊疲勞失效模式的可靠度計(jì)算值,可靠度為0.9943。
表3 核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)單一失效模式的可靠度Table 3 Reliability of fatigue and wear failures for the positioning mechanism in thrust bearings of the canned primary coolant pump
推力軸承定位銷(xiāo)、定位塊磨損可靠度通過(guò)磨損體積計(jì)算,磨損性能函數(shù)g2(Zi)為
g2(Zi)=Vn-Vs
(13)
式(13)中,Vn為許用的磨損體積,Vs為失效的磨損體積?;贏rchard模型和Miner線(xiàn)性累積損傷理論[21],
(14)
式(14)中,ξ為WC-Ni硬質(zhì)合金硬質(zhì)相平均半徑,常數(shù)K的實(shí)驗(yàn)擬合值為1.22×10-9。定位銷(xiāo)、定位塊在設(shè)計(jì)的60年使役過(guò)程中,連續(xù)承受λ2=0.01的推力瓦承載的正應(yīng)力載荷作用,磨損深度不大于50 μm。核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)磨損失效模式的可靠度計(jì)算值見(jiàn)表3,磨損失效模式的可靠度為0.9965。
核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)各個(gè)失效模式之間的邏輯關(guān)系,采用失效概率故障樹(shù)表達(dá)。圖3給出了軸向推力軸承定位機(jī)構(gòu)失效概率故障樹(shù)。屏蔽式核主泵軸向推力軸承可傾瓦塊數(shù)為8,各有1組徑向和軸向定位機(jī)構(gòu),每個(gè)定位機(jī)構(gòu)的定位銷(xiāo)、定位塊均存在沖擊疲勞和磨損兩種失效模式。根據(jù)定位機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)存在的串聯(lián)關(guān)系,Psf為定位機(jī)構(gòu)的失效概率。利用核主泵失效模式相關(guān)的系統(tǒng)可靠度計(jì)算方法,在沖擊疲勞失效和磨損失效兩種失效模式下,計(jì)算的8個(gè)定位機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)和靈敏度系數(shù)見(jiàn)表4。
圖3 核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)失效概率故障樹(shù)Fig.3 System fault tree for the positioning mechanism in thrust bearings of the canned primary coolant pump
表4 核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)的可靠度指標(biāo)及靈敏度系數(shù)Table 4 Reliabilityfactor and sensitivity coefficient for the positioning mechanism in thrust bearings of the canned primary coolant pump
依據(jù)8個(gè)定位機(jī)構(gòu)2個(gè)失效模式對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)β及靈敏度系數(shù),由式(5)計(jì)算定位機(jī)構(gòu)的相關(guān)系數(shù)矩陣Ρ。計(jì)算定位機(jī)構(gòu)的失效概率Pf
(15)
表5給出了核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)的可靠度計(jì)算結(jié)果,考慮失效模式相關(guān)性的方法計(jì)算的系統(tǒng)可靠度為0.9470。對(duì)比不考慮失效模式相關(guān)的失效可靠度計(jì)算結(jié)果0.9095,在隨機(jī)變量相關(guān)情況下,失效模式相關(guān)的可靠度較失效模式獨(dú)立近似的可靠度計(jì)算結(jié)果更高,失效模式獨(dú)立近似的系統(tǒng)可靠性評(píng)估趨于保守。
表5 核主泵推力軸承定位機(jī)構(gòu)可靠度分析結(jié)果Table 5 System reliability for the positioning mechanism in thrust bearings of canned primary coolant pump
針對(duì)核主泵高性能制造的可靠性要求,發(fā)展了一種核主泵系統(tǒng)可靠性分析方法。基于核主泵高性能制造的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和制造熱力學(xué)原理,建立了主要失效模式下隨機(jī)變量相關(guān)的性能函數(shù),采用一次二階矩法計(jì)算了關(guān)鍵零部件各個(gè)失效模式的可靠度。根據(jù)核主泵系統(tǒng)流固熱電磁多物理場(chǎng)耦合作用的串并聯(lián)結(jié)構(gòu),考慮不同失效模式之間的相關(guān)性,將系統(tǒng)可靠度計(jì)算轉(zhuǎn)化為多維正態(tài)積分求解,通過(guò)微分等效遞歸算法降維計(jì)算系統(tǒng)可靠度。在核主泵推力軸承全流量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以核主泵關(guān)鍵部件—軸承定位機(jī)構(gòu)為例,計(jì)算了在沖擊疲勞和磨損兩種相關(guān)的失效模式下定位機(jī)構(gòu)的可靠度,計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了核主泵系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法的適用性。
致謝:本文由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“大功率屏蔽式核主泵自主化形性協(xié)同制造原理”(2015CB057300)和國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)委托項(xiàng)目“CAP1400屏蔽泵關(guān)鍵部件可靠性試驗(yàn)”(ZB18W13)資助。