主泵軸封水回流溫度高原因分析及應對措施

王飛

【摘 要】本文介紹了核電廠主熱傳輸泵及軸封系統的工作原理，分析了主泵軸封水回流溫度高的可能原因及其應對處理措施，并借鑒了該事件的外部經驗反饋。

【關鍵詞】主熱傳輸泵；軸封系統；處理措施；經驗反饋

1 主熱傳輸系統概述

主熱傳輸系統是由主熱傳輸泵（以下簡稱主泵）、蒸汽發生器、出口集管、入口集管、壓力管式燃料通道及相應連接管所組成的閉式環路。加壓重水冷卻劑在主熱傳輸系統中循環，將燃料通道中的核燃料裂變產生的熱量傳遞到蒸汽發生器二次側的輕水，使其產生蒸汽，蒸汽驅動汽輪發電機發電。

2 設備描述

2.1 主泵

主泵位于蒸汽發生器和反應堆入口集管之間。泵為立式、單級、雙蝸殼離心泵，有一個垂直的入口管及兩個出口管。在正常運行工況下，泵入口壓力為9.44MPa，出口壓力為11.25MPa，流量為2228l/s。每臺泵由一臺11.6kV的感應電動機驅動。為避免反應堆廠房內產生飛射物事故，在主泵電機上不設置飛輪，通過增加電機轉子主軸質量方式，使其轉動慣量為1825kgm2，這樣確保了當電機失去電源時，泵惰轉流量下降速率與停堆后反應堆功率下降的速率相匹配，有效地導出堆內余熱和衰變熱。當主泵惰轉停止后，主熱傳輸系統靠自然循環的方式以蒸汽發生器為熱阱繼續導出堆芯的衰變熱。

2.2 主泵電機

每臺主泵帶有一臺6.7MWe的感應電機。該感應電機屬鼠籠式，靠空氣和水來冷卻。每臺電機有兩個徑向軸承和一個雙重作用的止推軸承，均用油潤滑。起動時，頂軸油系統就將高壓油輸送至止推軸承的兩側。頂軸油系統在主泵啟動和惰轉期間為泵提供潤滑。

2.3 主泵軸封系統

主熱傳輸系統中有四臺主泵，這四臺主泵正常都是在高溫高壓的環境下運行，所以每臺主泵都設計了一套包括三道機械密封和一道備用密封的裝置防止冷卻劑泄漏，而當主泵高速轉動時機械密封的各個部件之間會相互摩擦發熱，所以需要主泵軸封注入系統向主泵機械密封和軸承等部件連續注入干凈、低溫的冷卻水進行冷卻和潤滑來防止這些設備的損壞。

3 主泵軸封回流溫度升高現象及可能原因分析

3.1 主泵軸封回流溫度升高現象

2014年8月8日，某機組1#主泵軸封回流水溫度在40分鐘左右的時間從61.2攝氏度逐漸上升到近67攝氏度，隨后溫度有所下降并緩慢波動。在7月30日也發生過類似波動，在軸封回流水溫度波動期間，三級密封的壓差也發生波動，但泵的其他參數均保持原有狀態，沒有明顯改變。

根據主熱傳輸系統運行手冊98-33000-OM-001規定：主泵軸封冷卻水出口溫度高報警值為80攝氏度，當溫度達到93攝氏度，且滿足下列1）或2）條件之一，就需要停堆、停泵并對主熱傳輸系統進行降壓冷卻。

1）下列參數中的任意一個同時出現惡化趨勢：

主泵各級密封腔室壓力

主泵軸封注入流量

主泵軸封回流溫度

主泵電機上/下軸承殼振

主泵X/Y向軸位移

主泵軸承殼振

2）確認不是儀表故障。

因此，雖然1#主泵的軸封回流溫度距離報警值乃至停泵值仍有較大裕量，但是仍然應該加強監視避免參數突然惡化，甚至導致停泵、停堆的后果。

3.2 主泵軸封回流溫度升高可能原因分析

3.2.1 機械密封故障

機械密封故障產生的主要原因有：由于高壓差存在，造成磨損；由于注入水中顆粒的存在，造成磨損；由于高溫或瞬態高溫的存在，造成磨損和變形。

第一級或第二級機械密封失效：當主泵第一級或第二級密封前后壓差低于1MPa超過1分鐘且該主泵剩余兩級密封前后壓差同步上升且大于4.2MPa時，可以判定為第一級或第二級機械密封失效。這種工況下可以保持主泵繼續運行，但由于另兩道完好的機械密封的壓差和承受的載荷增大，發生故障的概率也相應增大，所以需密切地監視另外2道機械密封的運行狀況。如果另外兩道機械密封也出現惡化，則需盡快手動觸發停堆，停運出現故障的主泵并將機組置于冷態卸壓狀態。

第三級機械密封失效：當主泵第三級密封前后壓差低于1MPa超過1分鐘且該主泵第一級和第二級密封前后壓差同步上升且大于4.2MPa時，可以判定為第三道機械密封失效。由于第三級密封失效后，重水往重水收集系統的泄漏將會大幅度增加，并會有少部分重水會泄漏到外界，這時需降功率，將機組置于冷態卸壓狀態。

兩道機械密封失效：當主泵有兩道機械密封的前后壓差小于1MPa超過1分鐘且另一道密封前后壓差大于7.5MPa時，可以判定為該主泵有兩道機械密封同時失效。這種工況下剩下完好的那道機械密封幾乎獨自承受整個系統的壓降，盡管在設計上每一級機械密封都可以承受全壓，但故障的概率大大增加了。為了防止最后一道機械密封受損，發生小LOCA事故，所以需盡快手動觸發停堆，停運出現故障的主泵并將機組置于冷態卸壓狀態。

三道機械密封同時失效：當主泵的三道機械密封的前后壓差都小于1MPa超過1分鐘時，可判定為該主泵三道機械密封同時失效。這種工況下密封冷卻水流將旁通第一、第二、第三道壓力分配環管，而直接進入備用機械密封內，備用密封所承受的壓力接近于整個熱傳輸系統的壓力。由于備用機械密封不是完全防漏的，所以部分重水可能會泄漏和蒸發出來，而備用機械密封也一旦失效，會有大量重水流到廠房內，相當于主系統的LOCA事故。這時需盡快手動觸發停堆，停運出現故障的主泵并將機組置于冷態卸壓狀態。

3.2.2 軸封注入流量降低或失去

如果正常軸封注入流失去，系統本身就會轉入備用注入狀態。主泵運行時來自熱傳輸系統的備用軸封注入流先進入機械密封冷卻器進行冷卻，然后到在流過三道密封返回到重水儲存箱。

如果正常軸封注入失去，則主熱傳輸泵靠備用軸封注水系統的運行時間最多只能24小時，以避免泵的機械密封發生故障。因為此時備用軸封注入流直接來自主熱傳輸系統，沒有經過過濾器過濾，水中的固體微粒會累積在機械密封內。這些固體微粒有可能損傷機械密封。

3.2.3 失去冷卻水

失去循環冷卻水將導致正常軸封注入水失去冷卻。雖然當主泵運行時，由于泵輔助葉輪和軸承對軸封水流的摩擦加熱作用，機械密封的溫度會緩慢升高，但由于來自上充泵出口的軸封注入水溫度僅為40℃左右，所以在短時間內軸封入口混合流的溫度一般不會超過93℃的停泵溫度限值。

如果60分鐘以后，再循環冷卻水系統仍無法恢復對軸封冷卻器的冷卻，則必須停堆停機，并立即停運受影響的那臺主泵和另一環路上相對應的一臺主泵。

3.2.4 溫控回路故障

由于儀表故障導致溫度輸出波動的虛假信號。但是儀控回路全面檢查標定需要停泵，因此只能利用大修或者小修期間對溫控回路進行全面的檢查標定。但是從溫度曲線變化及歷史檢修情況判斷，該溫控回路顯示的溫度應該是正常的。

4 外部經驗反饋

1）2008年8月26日，某國外核電站一號主泵因機械密封回流水溫度高，且同時出現密封壓力大幅度波動并觸發壓力報警而停運該泵。其密封水回流溫度為63攝氏度，密封壓力最高達到5.5MPa。該機械密封的運行時間遠低于設計壽命，分析認為是機械密封內有雜質進入，導致密封面磨損并引發密封泄漏失效。

2）1994年12月20日，國外某核電站的P9/P10號主泵，因機械密封回流水溫度高而停運。P10的機械密封回流水溫度達60攝氏度以上，同時機械密封壓力出現了劇烈波動。最后停堆更換機械密封消除缺陷。

[責任編輯：田吉捷]