AHD40- 90 型蒸汽轉換給水泵機械密封頻繁泄漏分析及改進

陳坤池

（福建福清核電有限公司，福建 福州 350300）

蒸汽轉換給水系統（簡稱STR 系統）是生產核電站所需的輔助蒸汽（汽壓1.2MPa (a)，汽溫188℃），并經輔助蒸汽分配系統（SVA）分配給各用汽點。STR 系統包含兩臺AHD40-90 型蒸汽轉換給水泵（STR 泵）。該泵為雙級單吸臥式離心泵，轉速 2920r/min，流量為 40.7m3/h，揚程 161m，入口壓力0.11MPa，出口壓力為2.0MPa，介質溫度約 130-140℃，采用 11-H75G115/45-00-NC 型非集裝式機械密封，沖洗方案采用PLAN11+62 方案[1]。該泵自運行以來，機械密封頻繁出現泄漏，據統計機械密封壽命約5～7 個月，檢修率極高，嚴重影響設備長期穩定運行。

文章根據設備結構特點及現場故障情況分析了機械密封頻繁泄漏的原因，同時針對故障點進行機封選型和密封水沖洗方案改進，指出了優化后取得的效果，提高設備的運行可靠性。

1 機械密封頻繁泄漏原因分析

1.1 STR 泵機械密封簡介

AHD40-90 型蒸汽轉換給水泵采用11-H75G115/45-00-NC 型多彈簧單端面非集裝式機械密封，驅動端與非驅動端各布置1 套，如圖1所示。該機械密封靜環材質為碳化硅，動環材質為石墨，輔助密封圈材質為三元乙丙橡膠，其余材料均為不銹鋼。

圖1 STR 泵機械密封布置示意圖

機械密封輔助冷卻系統采用了PLAN11+62方案，即包含從泵腔通過節流襯套流向密封腔室提供冷卻水（圖1 中序號2）；從泵出口引出一路冷卻水（未帶節流孔板）冷卻機械密封密封面（圖1 中序號1）；同時機械密封動靜環夾套設置了外接冷卻水以冷卻動靜環腔室溫度（圖1 中序號3）。

根據機組缺陷統計，在一年時間內，STR 機械密封共出現了8 次異常泄漏，壽命最短僅1 個月，最長約 5～7 個月。

1.2 STR 泵機械密封失效分析

通過對機械密封解體分析，發現每臺故障機械密封故障點基本一致，機械密封動環存在嚴重沖刷導致密封失效，同時靜環及軸套均發現有高溫灼燒痕跡，見圖2。

圖2 機械密封故障情況

（1）從裝配質量角度分析，現場多臺機械密封發生泄漏且裝配人員均經過培訓上崗，因此可能性低，可排除。

（2）從密封環材料角度分析，改系統介質為清潔介質，密封環材料分別為碳石墨和SiC，碳石墨均有良好的自潤滑性和低的摩擦因數、耐腐蝕、耐高溫性能良好、導熱性好且膨脹系數低[2]，適用于STR系統，可初步排除。

（3）從沖洗方案角度分析，根據設備結構及現場數據分析，由于機械密封使用了靜環冷卻、泵蓋夾套冷卻以及11 自沖洗方案，但11 方案的自沖洗管路不帶節流孔板，且為單點沖洗冷卻，同時動環石墨為軟材料，進出口壓差達1.89MPa，因此沖洗水流速大，小液滴強雷的壓縮脈沖轉到動環頸部位置引起周圍面積強大的剪切變形，這種變形反復進行，引起疲勞破壞麻點，累積后造成動環被沖蝕損壞。同時由于流體介質溫度高（130-140℃），泵入口壓力極低（0.11MPa），因此造成密封面沖洗水在密封面腔室位置可能發生汽蝕現象，液膜變成汽液混合項，瞬間溢出大量蒸汽和氣泡消失引起沖擊破壞動環面。

綜上可以確認機械密封失效主要原因為機械密封沖洗點及沖洗方案設計不合理導致頻繁泄漏。

2 STR 泵機械密封改造

2.1 機械密封設計改進

由于原型號機械密封密封水沖洗點為單點沖洗，在高溫高速介質沖洗下，長期運行后造成動環沖蝕損壞；因此對機械密封進行改進，在沖洗水口及動環之間，增加設置一個環狀帶孔的多點沖洗環，有效分散冷卻水的沖刷。多點沖洗對比單點沖洗具有如下優點：沖洗水沿著密封環四周均勻分布，動靜環變形小、散熱好，密封端面介質穩定，有利于密封面潤滑、冷卻并提高相態穩定性和液膜穩定性。

2.2 機械密封沖洗方案改進

根據STR 泵運行工況和介質參數，對沖洗管路設計計算，增加了節流孔板，以降低流速，增加密封面液膜剛度。

同時考慮系統介質為高溫水，根據API682 標準，將密封沖洗方案改造為PLAN21 方案；即在原有沖洗水管路增加了熱交換器，降低沖洗水溫度，如圖3 所示。其優點是適用于高溫工況，降低密封腔室溫度，提高沖洗水的汽化溫度裕量、克服輔助密封件的溫度限制、提高密封的潤滑性。此方案可有效解決冷卻水溫度過高導致密封面液膜汽化破壞動環的問題。

圖3 機械密封沖洗水方案示意圖

3 結 語

實施上述改進措施后，蒸汽轉換給水泵2 年來未再發生機械密封異常泄漏問題，同時降低了檢修人員維修工作量，減少了維修成本，提高了設備運行的可靠性。總結上述改進方案，得到以下結論：

（1）機械密封密封水沖洗點單點沖洗，在高溫高速介質沖洗下，易造成密封面沖擊破壞；選用多點沖洗，其沖洗水分布均勻、變形小、散熱好，密封端面介質穩定，有利于密封面潤滑、冷卻并提高相態穩定性和液膜穩定性。

（2）高溫工況下，機械密封沖洗水方案選用PLAN21 方案，有利于降低密封腔室溫度，提高沖洗水的汽化溫度裕量、克服輔助密封件的溫度限制、提高密封的潤滑性。