主泵軸封注入系統風險分析及處理措施

劉紅玉

【摘 要】主泵運行在主熱傳輸系統高溫、高壓的環境下，因此每臺主泵都通過一套多級的軸封裝置對軸進行密封，防止冷卻劑泄漏。同時需要持續注入干凈、低溫的冷卻水對軸封裝置進行冷卻和潤滑以防止設備損壞，主泵軸封的性能將直接影響主泵的運行，軸封失效極有可能導致冷卻劑泄漏，影響主系統壓力邊界的完整性，并造成放射性危害。本文從主泵軸封的結構特點出發，主要分析了可能發生的主泵軸封流量異常、冷卻異常、軸封回流閥意外關閉和機械密封失效等故障工況的現象以及可能導致的風險，并提出了相應的處理措施。

【關鍵詞】主泵軸封系統;故障;風險;處理措施

中圖分類號： TH38 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0125-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.046

0 概述

在主熱傳輸系統中有四臺主泵，它們是功率為9000馬力的大功率離心泵，位于蒸汽發生器和反應堆進口集管之間，其主要作用是為冷卻劑提供循環動力。主泵為立式、單級、雙渦殼離心泵，有一個垂直的入口管和兩個出口管，其驅動電機功率為6.7MW，由四級電源供電。正常運行工況下，主泵的入口壓力為9.42MPa，出口壓力為11.25MPa，流量為2228L/s。一回路通過主泵建立主系統的循環流動，把反應堆堆芯中的熱量帶出。

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，所以需要有這樣一個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，而主泵軸封注入系統就擔當起這樣的功能（正常運行時參數見附表1）。其具體的功能主要有：

★提供低溫、干凈的軸封注入流以冷卻和潤滑主泵軸密封和主泵軸承;

★當正常軸封注入流失去時能提供備用注入流以保證充分的冷卻;

★當主系統疏水或充水時加入氮氣和提供排氣的手段;

軸封注入流來自上充泵出口的低溫重水，經過軸封系統過濾器后分四路供給四臺主泵。進入每臺主泵的軸封注入流分別經過降壓盤管、軸封注入流量計、軸封熱交換器后又分成兩路，50%的注入流經過主泵輔助葉輪、主泵軸承后進入主泵泵腔后回到主系統，另50%的注入流分別通過3道主泵的機械密封和軸封回流閥后回到重水儲存箱中。

機械密封排氣和軸封過濾器分別與熱傳輸重水收集系統相連。其中機械密封通過排氣閥與熱傳輸重水收集系統連接，正常運行時排氣閥是關閉的，在執行主泵軸封系統充水放氣時要開啟這些閥門。另外，在軸封回流閥故障關閉時，可以通過打開這些機械密封放氣閥建立部分軸封流，防止軸封損壞。軸封過濾器與熱傳輸重水收集系統是通過軸封過濾器的疏水閥和排氣閥相連的，上述閥門正常運行時是關閉的，在軸封過濾器疏水或充水時打開。

1 主要設備

主泵軸封系統主要由兩個100%的過濾器、四個軸密封腔室（每臺主泵各一個）、四個軸密封冷卻器、降壓盤管、流量計、四個軸封回流閥等設備組成，

2 主泵軸封系統的正常運行工況

2.1 主泵運行

主泵正常運行時，軸封注入流來自上充泵的出口，經過軸封過濾器過濾凈化之后，分成四個支路，分別供給四臺主泵的軸封系統。每個支路的軸封注入流，經過一個降壓盤管，將壓力降至接近主系統壓力，然后來到軸封冷卻器的入口，與軸封再循環流一起進入軸封冷卻器管側，由殼側的再循環冷卻水進行冷卻。冷卻器出口的軸封流進入軸腔，在輔助葉輪的作用下分成兩路：一路向上進入各級機械密封腔室，對機械密封裝置進行冷卻和潤滑;并通過減壓盤管平均分配壓力，使每級機械密封均承受約3.3MPa的壓差，然后經軸封回流閥返回主系統重水儲存箱，這路流量約占冷卻器出口流量的3.3%。另一路流量向下流過輔助葉輪和軸承，在對輔助葉輪和軸承進行冷卻和潤滑后又分成兩路，占冷卻器出口流量約93.3%的流量再循環至冷卻器入口與新的軸封注入流混合，其余3.3%的流量進入泵腔。

因此正常運行時，新的軸封注入流只需補充回流至重水儲存箱的流量和進入主泵泵腔的流量損失即可，約占冷卻器出口軸封流量的6.6%。目前三期每臺主泵的軸封注入流約為0.2L/s左右，最低不能低于0.152L/s。

2.2 主泵停運

主泵停運后，軸封回流閥延時1分鐘關閉。主泵停運后如果回流閥立即關閉，那么在主泵惰轉期間，由于回流喪失，第二、三級機械密封腔室內的壓力將很快上升到與第一級機械密封腔室內的壓力相同。第一、二級機械密封的前后壓差約為零，而第三級機械密封則要承受整個主系統的壓力，很容易造成第三級密封的損壞;另外由于軸封冷卻流無法進入機械密封腔室，也會造成密封腔室溫度上升。主泵停下來后，若回流閥還保持開啟，就形成了從主泵泵腔到主系統重水儲存箱的通路。如果此時失去正常的軸封注入流，泵腔內的高溫重水就會流入各級密封腔室，使機械密封損壞。

當主泵停止轉動，軸封回流閥關閉后，輔助葉輪也隨之停止轉動，此時機械密封腔室內處于滿水等壓狀態。由于主泵停轉后，密封腔室內基本不會產生熱量，因此密封腔室的溫度保持不變;并且主系統壓力下降，第三級密封所要承受的壓差也比較小。輔助葉輪停轉之后軸封再循環流量喪失，軸封注入水全部向下進入主泵泵腔。在這種狀態下，主系統可以保持熱態，并且可以啟動主泵。

3 主泵軸封系統的風險分析及處理措施

3.1 軸封注入流流量異常

軸封注入流流量異常（主要指流量下降），將會影響軸封冷卻效果，使得對機械密封、導向軸承等設備的冷卻和潤滑能力變差，長期在此工況下運行，將增加機械密封和軸承等部件失效損壞的概率，故應該提高對軸封流量異常下降現象的警覺性。

主泵軸封過濾器的材質為紙質濾芯（設計最高承溫93度，最高承壓15.2MPa），當高溫或高壓水進入過濾器后，會造成濾芯損壞然后進入軸封系統，堵塞機械密封入口處的降壓盤管，使得軸封流量降低。

▼主要處理措施有：如果投入運行的過濾器壓差出現異常變化，則將過濾器切換至備用過濾器，密切監視軸封流量，現場調節軸封流量調節閥，如果調節閥開到最大仍不能滿足流量要求，則執行失去軸封注入流處理措施。

3.2 失去軸封注入流

主泵運行時，當正在運行的上充泵跳泵而備用泵沒有及時啟動，就有可能發生失去軸封注入流的事故。失去軸封注入流后，流量計指示為零，并且軸封過濾器出口逆止閥關閉。此時，備用軸封注入流將啟動，來自主泵泵腔的主系統的重水向上為機械密封提供冷卻和潤滑。主要流程為，來自泵腔的流量在輔助葉輪的作用下，與再循環流量一起進入軸封冷卻器，冷卻后進入軸腔：一路向上對各級機械密封進行冷卻和潤滑后回到主系統的重水儲存箱;另一路向下，流過輔助葉輪和導向軸承后，完全變成再循環流量，與來自泵腔的流量混合，又進入軸封冷卻器。來自泵腔的流量只要補充回到重水儲存箱的這部分流量即可。

這種運行模式下，主泵可以較長時間的運行，但存在兩個問題，一是正常軸封注入流的溫度遠低于泵腔的重水的溫度，因此軸封冷卻器的出口溫度會上升，但由于軸封注入流占總流量的比重較小，溫度上升幅度不大，在可接受的范圍。二是來自主泵泵腔的水沒有經過軸封冷卻器的凈化，可能存在微小的固體顆粒，由于泵軸的轉速為1490rpm，并且機械密封要承受約3.3MPa的壓差，因此微小的顆粒雜質也可能對機械密封造成損壞。

▼主要處理措施有：監視軸封冷卻器的出口溫度，監視各級機械密封腔室的壓力和各級機械密封的壓差，并且要盡快地恢復正常的軸封注入流。如果超過24小時軸封注入流仍然沒有恢復，為防止顆粒雜質對機械密封造成過大的損害，要將反應堆停堆，并且停運主泵。

主泵停運后如果失去軸封注入流，主系統的重水就會經過主泵進入機械密封腔室中，注入流量相當于第三級機械密封后的引漏流量。但注入流量很小，并且主泵停運后機械密封腔室內不產生熱量，因此對機械密封腔室影響不大。此時主系統仍然可以保持熱態，但不建議啟動主泵。

3.3 失去RCW冷卻水

主泵運行時，如果失去RCW冷卻水，軸封流量失去了主要的冷卻來源。雖然軸封注入流可以提供一部分冷卻，但軸封注入流量只占整個軸封流量的6.6%，無法完全帶走主泵運行時產生的熱量。因此會造成軸封冷卻器的出口溫度上升，進而導致機械密封腔室和輔助葉輪以及主泵軸承的溫度上升。

▼主要處理措施有：嚴密監視軸封冷卻器的出口溫度，防止其達到停泵值（93oC）;監視主泵上推力軸承的溫度，當上推力軸承溫度達到110oC時，主泵自動跳泵;監視各級機械密封腔室的壓力和機械密封的壓差，防止溫度升高對機械密封造成損害;同時要盡快恢復RCW的冷卻，如果超過1小時RCW仍然沒有恢復，就要停堆停泵。

主泵停運后如果失去RCW，雖然喪失了主要的冷卻來源，但主要的熱源也沒有了，因此軸封注入流已經可以完全滿足冷卻要求。軸封注入流進入軸腔后，向上的一路流過機械密封，對機械密封進行冷卻后從第三級機械密封后的引漏管線流到3381系統中;向下的一路對輔助葉輪和軸承進行冷卻后回到泵腔。這種工況下主系統可以保持熱態，但必須在恢復RCW后才能啟動主泵。

3.4 同時失去軸封注入流和RCW冷卻水

主泵運行時，如果軸封注入流和RCW冷卻水同時失去，通過來自主泵泵腔的備用注入流建立注入流量。但是由于同時失去了正常注入流和RCW兩路冷卻流量，軸封冷卻器的出口溫度會很快上升，進而機械密封腔室和主泵軸承的溫度也會很快上升。

▼主要處理措施有：嚴密監視軸封冷卻器的出口溫度，防止其達到停泵值（93oC）;監視主泵上推力軸承的溫度，當上推力軸承溫度達到110oC時，主泵自動跳泵;監視各級機械密封腔室的壓力和機械密封的壓差，防止溫度升高對機械密封造成損害;同時要盡快恢復軸封注入流和RCW冷卻水，如果超過15分鐘RCW仍然沒有恢復，就要停堆停泵。

4 結束語

主泵軸封系統的正常運行，是主泵穩定運行的重要保證，亦即機組安全穩定運行的前提保障之一。如果主泵軸封系統出現異常，不僅可能對機械密封、主泵等設備造成損害，甚至有停堆停機的風險，本文就主泵軸封注入系統的一些問題進行了剖析，并提出了作者個人的處理建議，希望對機組的日常工作有所幫助。

【參考文獻】

[1]CANDU-6核電廠系統與運行-初級課堂培訓教材，原子能出版社，2010年.

[2]CANDU-6核電廠系統與運行-初級崗位培訓教材，原子能出版社，2010年.