反應堆主循環泵機械密封泄漏分析及改進

2017-04-13 02:50:52黃秀寬楊彤寧波

設備管理與維修 2017年2期

關鍵詞：機械

黃秀寬，楊彤，寧波

（中國原子能科學研究院，北京102413）

反應堆主循環泵機械密封泄漏分析及改進

黃秀寬，楊彤，寧波

（中國原子能科學研究院，北京102413）

分析引起反應堆主循環泵機械密封泄漏原因，機械密封沖洗管加裝流量孔板阻尼件的改進及效果。

核主泵；機械密封；泄漏

0 前言

某研究型反應堆一回路共有4臺主循環泵，分別標號為A，B，C，D，均為臥式單級離心泵。該泵由水力部分、密封裝置、電機和慣性飛輪4部分組成，其中密封裝置采用核級機械密封。自該反應堆主回路系統調試開始，4臺主循環泵機械密封均存在不同程度的泄漏問題，其中C泵最大泄漏率達6 L/h，遠大于設計標準。由于其輸送的冷卻劑具有放射性，故分析查找機械密封泄漏原因、解決泄漏問題成為該系統調試中一項重要工作。

1 機械密封泄漏初步分析

造成機械密封泄漏有多種原因，結合反應堆主循環泵及機械密封結構和特性，主要考慮6方面因素。

（1）密封面磨損。輸送介質內雜質進入密封面造成磨損；由于裝配不當導致動靜環過度壓緊造成磨損；由于彈簧壓力不均衡造成密封面磨損。

（2）主循環泵轉子軸向竄量過大（主循環泵采用一對背靠背推力軸承），使密封面壓緊力降低，或使機械密封與軸套間的O形密封圈靜密封遭到破壞。

（3）機械密封與主循環泵轉子同軸度有偏差，影響動靜環正常配合。

（4）主循環泵轉子有輕微彎曲變形、轉子徑向跳動過大。

（5）主循環泵振動過大。

（6）動靜環密封面錯位。

2 檢查測量查找泄漏原因

將泄漏最嚴重的C泵機械密封拆卸后解體檢查，并對該泵振動、轉子軸向竄量及徑向跳動等進行測量。密封面有輕微磨損；動靜環配合良好，彈簧壓緊力均勻適當；O形密封圈無損壞，靜密封有效；泵轉子軸向竄量＞1 mm，需要調整；泵轉子無變形彎曲；測量泵軸承及葉輪處機殼振動速度，軸向達到B級，徑向水平和豎直均達到A級。

測量完畢后，將軸承壓蓋密封面車削1 mm以調整轉子軸向竄量至合格范圍。鑒于動靜環密封面有輕微磨損，更換一件新機械密封，安裝時注意同軸度，防止密封面錯位。新機械密封安裝完畢后，啟動主循環泵，觀察機械密封泄漏沒有改善。

3 確認沖洗環節問題

考慮到停泵狀態機械密封在靜壓下為零泄漏這一情況，為進一步查找機械密封泄漏原因，仔細觀察泵啟動到停止過程的泄漏變化情況。該反應堆主循環泵帶有慣性飛輪，泵斷電后仍然會惰轉一段時間以保證持續供水冷卻反應堆堆芯。發現在泵斷電的一瞬間，機械密封就停止泄漏。顯然，這個現象與沖洗環節聯系緊密。由于沖洗水取自泵出口，壓力約1.1 MPa，該壓力通過沖洗管出口作用在密封面局部，懷疑密封面受力不均勻而產生泄漏。從觀察的現象看，泵斷電的一瞬間，出口壓力降低，沖洗水壓力隨之下降，機械密封就不再泄漏，由此確定了通過降低機械密封沖洗水壓力解決泄漏問題的思路。

4 改進方案

在內徑8 mm的機械密封沖洗管中安裝直徑4 mm的孔板，以降低冷卻水流量，從而降低密封面沖洗水壓力，減少泄漏。

為從理論上驗證上述方案的可行性，對機械密封周圍的流道進行計算，計算進水管無孔板（直徑8 mm）和有孔板（直徑4 mm）2種情況下密封處的壓力分布并進行分析比較。

（1）計算方法與模型。由于計算對象較為復雜，采用了數值模擬的方法進行計算。流域的物理模型如圖1所示。

使用ICEMCFD 13.0進行網格劃分，全部采用結構化網格，無孔板流域節點數為60338，有孔板流域節點數為68230。

使用ANSYS CFX 13.0進行數值模擬。進口條件為全壓1.12 MPa；出口條件為靜壓0.002 MPa；與轉動部件接觸的各面邊界條件為旋轉壁面，轉速為1480 r/min；其他面為無滑移壁面。湍流模型選用k-ε模型。初算結果表明，流域中部分區域絕對壓力遠低于零是不合理的，實際上，這些區域應該是發生了汽化。因此，選用空化模型，以模擬汽化現象，從而得到更準確的結果。

（2）計算結果分析。計算結果表明，加裝孔板后，冷卻水的總流量顯著降低，密封處平均壓力也隨之顯著減小，具體參數見表1。