核電站主泵常見故障分析及檢修

肖 勝，周 濤，胡 成，許 鵬

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京102206；2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京102206；3.華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京100206；4.東南大學 能源與環境學院，南京211189；5.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港538000)

0 引 言

核電作為一種新型的高效清潔能源，符合我國可持續發展方針。在核電站中，需要用到各類的核安全一級到三級泵，而在核安全一級泵中，反應堆冷卻劑泵(簡稱主泵)由于可以為一回路的冷卻劑循環提供動力，是核電站的關鍵設備。實際運行情況下，核安全一級泵需要在高溫、高壓、放射性環境下工作，容易發生各種故障，從而直接威脅到核電站的安全運行。雖然洪振旻等[1]對主泵機械密封泄漏量異常進行過研究，齊盼進等[2]對主泵軸承故障進行過分析研究，黃佳平等[3]對氣動閥診斷檢修技術進行了探討，但是都對主泵注入水引起的故障研究還不夠深入。因此，對主泵的注入水參數與常見故障進行深入研究具有重要意義，能為今后核電站主泵維修工作提供相關借鑒。

1 主泵的結構與特點

1.1 CPR1000主泵結構

1.1.1 結構組成

壓水堆中的主泵多采用立式混流泵、立式軸流泵、離心泵。它們的結構均為泵在主體的下部，電機在泵上部。泵的運行由電機直接驅動，通常使用三級密封方式作為軸密封的措施。電機結構[1]如圖1所示。

圖1 主泵結構Fig.1 Structure of main pump

從圖1可以看到，主泵結構大致可以分為3個部分：1)水力機械部分，包括吸入口和出水口接管、泵殼、葉輪、擴壓器和導流管、泵軸、水泵軸承和熱屏等部件；2)軸封系統，主要是3個軸密封部件；3)電動機部分，包括電動機、止推軸承、上下徑向軸承、頂軸油泵系統和慣性飛輪等部件。

1.1.2 運行參數

以大亞灣核電站1、2號機主泵為例[4]，大亞灣核電站的安全殼內放置主泵機組，其運行參數為：環境溫度Tw最高溫度為50 ℃，最低溫度為15 ℃；正常工況下反應堆主泵吸入口管嘴壓力為15.2 MPa，溫度為293 ℃，其最低運行壓力不小于2.3 MPa，若出現運行壓力低于2.3 MPa，易發生葉輪汽蝕;反應堆主泵出水口管嘴處的最大壓力為17.1 MPa。

1.2 AP1000主泵結構

AP1000主泵與二代核電主泵不同，為單級、全密封、高轉動慣量屏蔽式離心泵，AP1000主泵結構[1]如圖2所示。

從圖2可以看到，反應堆主泵水力部件(包含葉輪、吸入段、導葉等)是設計安裝在主泵電動機上端的，部件之間不設有聯軸器。反應堆主泵的轉子部分(包含水力部件和轉子部分)的支撐是依靠電動機上下部分的徑向滑動軸承和下方雙向推力軸承，軸承的冷卻和潤滑主要依靠于一回路的水進行的。反應堆主泵的電動機及轉子部分包容在承壓殼內部，承壓殼體主要是由泵的主殼體、熱屏蔽部分、定子殼體以及定子端蓋組成，其主要作用是承擔來自核反應堆冷卻劑系統的所有壓力。

圖2 主泵軸封結構Fig.2 Structure of main pump shaft seal

1.3 AP1000與CPR1000主泵對比

1.3.1 參數比較

相對于傳統的軸封式主泵，屏蔽泵在額定功率、額定流量、揚程等參數上有所不同，AP1000主泵與CPR1000主泵參數對比如表1所示。

表1 AP1000與CPR1000參數對比Table 1 Comparison of parameters between AP1000 and CPR1000

從表1可以看到，AP1000主泵總高較CPR1000主泵低15.4%，額定功率低20.8%，在額定流量面較CPR1000主泵低24.8%，而揚程反比CPR1000高14%。

1.3.2 特點比較

AP1000屏蔽泵與CPR1000主泵相比，其主要特點有：

1)AP1000主泵為屏蔽式主泵，由于其旋轉軸不存在向外延伸的部分，因此就不會出現輸送液體向外泄露情況，因此也消除了由于軸密封失效或者全廠斷電等事故工況影響下存在的冷卻劑泄漏風險，將極大地強化了核反應堆的安全性能。

2)CPR1000具有軸封系統，而屏蔽泵由于去除軸封系統和與之相關的輔助系統，大大簡化了發電機組的運行，同時有效降低屏蔽泵的維修工作量。

3)屏蔽泵的軸向作用力主要是由轉子本身重量及水對葉輪產生的推力組成的。對于將泵設置在上部，電動機設置在下部的布局，兩部分軸向力的方向相反，在靜止時推力軸承受來自于轉子的重量，在泵運行過程中葉輪水推力能夠抵消掉部分轉子的重量。

綜上所述，AP1000的主泵——屏蔽泵具備封閉性強、安全系數高、結構緊湊、占地面積小、運行更為平穩等優點。

2 主泵的常見故障分析

2.1 注入水參數變化

嶺澳的二號機組[5]的3臺CPR1000主泵自從商業運行以來，在每次燃料循環的末期發生一號密封的泄漏量異常的現象。在每年的例行大修前45天左右，一號密封均會發生泄漏量上升，嚴重時泄漏量接近報警值。因此每次在大修時都會對一號密封進行拆除，并進行檢查，這對人力物力造成了大量的浪費。

在進行第3次大修時，為分析連續3年一號密封泄漏量異常的現象，將原有一號密封組件進行拆除更換，并將其送去法國原廠家進行檢測。

2.1.1 實驗數據

此一號密封組件由JSPM公司提供，材質為氧化鋁，密封方式為機械密封。該實驗在1999年12月進行，試驗顯示數據一切正常，注入溫度60 ℃，注入壓力 15.8 MPa，泄漏流量為493 L/h。JSPM通過在試驗臺架上對機械密封進行檢查，所得實驗結果[1]如表2所示。

從表2數據可知：正常運行工況下，主泵的一號密封系統運行數據正常，和設定值差別不大。

表2 試驗臺架數據Table 2 Data on test bench

2.1.2 參數變化趨勢

根據表2試驗數據繪制泄漏壓力、泄漏流量隨時間變化曲線如圖3所示，泄漏溫度、注入溫度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3 泄漏壓力、泄漏流量隨時間的變化Fig.3 Variation of leakage pressure and leakage flow with time

圖4 泄漏溫度、注入溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of leakage temperature and injection temperature with time

從圖3可以看出，主泵泄漏壓力不隨時間的變化而變化。隨著時間的增大，泄漏流量先增大后減小，在時間為1.5 h到2.5 h內，泄漏流量幾乎不變，在時間到達3 h時泄漏流量突然減小。從圖4可以看到，注入溫度一直保持60 ℃不變，而泄漏溫度剛開始由63.3 ℃在經過1h增長到69.1 ℃后，就一直保持平穩，在1.0 h到3.0 h之間幾乎不變。

從圖3、圖4泄漏壓力、泄漏流量、泄漏溫度、注入溫度隨時間的變化可知，一號軸封各部件并未產生異常反應，機械密封并不是導致在運行時間末期所產生的泄漏流量異常現象的原因。廠家經過試驗后指出，運行壽期末所產生的泄漏流量異常現象，可能是由水注入特性的變化引起的機械密封性能突變引起的。

2.2 電泳現象

溶液中帶電粒子在電場中移動的現象叫作電泳，電泳現象是導致一號密封泄漏量異常的重要因素，當流體流經一號密封時，流體中的帶電顆粒在密封面處在電泳現象的作用下堆積，進而對一號密封組件的密封面流道產生影響，改變流道面積，導致一號密封組件泄漏。電泳現象的控制對機組的穩定運行及一號密封泄漏量的控制起至關重要的作用。一號密封中存在的電泳現象主要有以下幾部分組成：

1)機械密封注入水的物性參數；

2)注入水中所含腐蝕產物顆粒對一號密封組件的影響；

3)將一號密封組件中的動環和靜環當作電極。

2.3 注水水化學現象

核反應堆主泵在運行中，隨著機組的燃耗增加，回路系統內的硼濃度將不斷降低，容控箱的pH值增加，這時會導致腐蝕顆粒的沉積—溶解的平衡，使得腐蝕顆粒更容易沉積，進而引起軸封密封性發生惡化。而在壽期末容控箱出水pH增長的斜率明顯加大，相應引起的效應更加明顯。

在實驗過程中可以發現：主泵一號密封組件在系統進行慢稀釋和快稀釋時的泄漏量會產生變化。慢稀釋[6]時，主泵機械密封泄漏流量不斷上升，除鹽水由硼水補給系統注入到容控箱中，與容控箱中原有的水進行混合，并流入上充流。這部分水與正常狀態下的上充流水質相差不大，但當可進行快稀釋時，水直接注入上充流入口，此時上充流流量增大，與正常上充流比較pH低。此時的上充流對一號密封組件密封面的顆粒層存在溶解作用。當采用慢稀釋時，此時的溶解作用降低，會導致密封面的密封性能惡化。

2.4 其他故障分析

主泵除了一號軸封引起的典型故障外，還有其他一些故障[7]，如表3所示，例如軸的故障、轉子的故障還有汽蝕作用導致的故障等等，這些故障差異性較大，準確判斷故障的類型對之后的檢修工作顯得尤為重要。

表3 主泵故障頻帶Table 3 Failure frequency band of main pump

3 主泵的常見故障處理

通過對第2節主泵的常見故障分析可知，主泵的故障處理可以采用以下幾種方法：

1)降低軸封水溫度。降低軸封水溫度，一個方面可以改變其流體特性，水的粘度增大，密封效果更佳，降低了泄露量。另一個方面，軸封水溫度降低，熱膨脹和熱應力減小，進而減少密封面的變形程度，減少了泄漏量。

2)切換濾網。軸封注入水裝設有一個備用濾網。備用濾網之前一直處于備用狀態，在早期就充滿了水，當切換到備用濾網時，注入水的硼濃度較高、溫度較低、含氧量也較高，這樣一定程度上可以利用其酸性對沉積在密封面上的顆粒物進行清潔[8]利于密封面形狀的恢復，從而減少泄漏量。

3)改變密封注入水的濾網精度。加入軸封注入水中具有較多的顆粒物，顆粒物的沉積會使得密封面形狀改變、性能下降。在對主泵進行檢修時，采用過濾更細的濾網可以有利地改善水質，從而提高密封面的工作性能，有利于降低泄漏量。

4)AP1000屏蔽泵的維修。屏蔽泵具有運行穩定、運行時振動小、結構簡單等優點。但在日常運行中會存在不可預見的問題，因此西屋公司在對屏蔽泵進行設計時在泵內部預留下一部分空間便于檢修，然而由于此空間預留面積較小，反而增加了維修難度。

5)其他故障預防及處理。在正常運行維護時，比較簡單的預防方式為按時更換潤滑油。潤滑軸承運行一段時間后需要進行換油。滾動軸承換油的時間則要在大修期間，運行時需要關注其油位，及時補充。其次，要及時更換盤根，安裝要正確。發現盤根磨損比較嚴重或者已經老化時，要及時更換。最后，定期檢查可以事先排除故障。定期檢查各顯示儀表是否正常，檢查各關鍵點溫度是否正常，檢查是否存在跑冒滴漏，檢查各連接部分是否符合松緊要求。

4 結 論

通過對主泵易出現的其他故障特征等進行歸類，主要對引起主泵機械密封惡化的3個原因(注水參數變化、電泳現象和注水水化學現象)進行分析。系統地展現了主泵的主要故障問題，針對出現的問題提出了相應的干預措施和檢修方案，為現場的檢修人員提供了理論上的參考意見。

1)電泳現象可造成機械密封動靜環間流道特性改變，引起機械密封泄漏流量異常。

2)注入水水化學現象可加劇惡化機械密封性能。

3)屏蔽泵具有結構相對簡單、振動小、運行可靠等優點，但泵的檢修很困難。