秦山核電30萬機組主泵軸封系統及其運行分析

嚴朋成

（中核核電運行管理有限公司運行一處，浙江 海鹽314300）

0 概述

反應堆主冷卻劑泵是反應堆的心臟，在反應堆正常運行時冷卻劑由反應堆流出經主管道流進蒸發器，把熱量傳給二次側給水，然后再由主泵送回反應堆進行循環，主泵電機上的大飛輪增加主泵惰轉時間，在失去工作電源時靠主泵轉子惰轉帶出堆芯熱量，保證堆芯安全。因此要求主泵應能長期連續地運轉，國內外核電廠因主泵故障而導致的被迫停堆和計劃延遲事件絕大多數為主泵軸封故障所致,軸密封組件是主泵各部件中極為昂貴和更換較為頻繁的部件，秦山一期30萬機組采用的是KSB公司的RER700型，迄今已安全服役30年，期間積累了豐富的軸密封檢修和運行經驗，本文僅從運行角度出發介紹和分析主泵軸密封系統。

1 軸密封系統

1.1 軸密封

為了防止高溫、高壓、帶放射性的冷卻劑泄漏，必須向泵提供軸封水將主冷卻劑抑制在下導軸承下，并通過一套可控軸封裝置控制沿主軸的泄露，KSB公司生產的RER700型主泵采用三級相同的流體動壓密封串聯而成（圖1為密封結構圖），動環材料為石墨，靜環材料為碳化鎢，靜環不隨泵軸轉動但可以軸向移動，運行時浸泡在水中，兩者之間有一層極薄的水膜，進行潤滑和冷卻，動靜環卻不能接觸，因此不易磨損（密封整體外觀如圖2所示）。三道密封的設計壽命為二年。動環和靜環的制造和裝配，都要求有很高的精度（圖3為動靜環）。

圖1 反應堆冷卻劑泵密封結構

圖2 三級機械密封外觀

圖3 機械密封動環和靜環

反應堆冷卻劑泵在正常情況下，三級密封各級承受的壓力按系統壓力（額定狀況壓力為150 par，約152.5 kgf/cm2）的40%（第一級密封），40%（第二級密封）和20%（第三級密封來分配）。但是在每個密封設計時按照100%的承壓能力進行，如果任何一級密封失效，其他兩級密封能夠承受整個壓力（每級承壓50%）；如果兩級密封失效，另外一級密封能100%承受其壓力。各級密封壓降值的分配，是靠流過節流裝置的受控泄漏流來實現的。

每集密封能單獨承受系統全壓3小時。各級密封壓降值分配是靠流過節流裝置的受控泄漏流來實現的，第一級和第二級密封的節流裝置由兩組盤繞式毛細管組成，第三級密封節流裝置是依靠一只節流器來實現的。

軸密封部件還設有排液設施，使主泵內不需要完全排水即能更換軸密封。因此泵內設有托座，泵軸托座兩端壓差90 kPa，其泄漏量不超過0.23 m3/h，在所有工況下，軸密封工作壽命至少為10 000小時。密封安裝在密封室中。其中密封的轉動部件安裝在各級密封的軸套上，這些軸套與軸的各段滑配，各部件間依靠O型圈進行密封[1]。

為了監測密封在運行中的狀態，在每個單獨的密封壓力腔中，安裝有一個壓力監控裝置，主要監測各級密封壓力。并且在高壓泄露流和低壓泄露流上安裝了壓力、流量和溫度監控裝置，監測軸封注入水的運行狀態。

三級機械密封采用的是液體動壓密封，如圖4所示，其主要是為了在密封面間人為地制造潤滑液膜，以此來延長密封的壽命。

圖4 三級動壓密封系統

1.2 軸封注入水

正常運行時，在二級密封與三級密封之間的受控泄漏流的流量約為0.8 m3/h，三級密封后泄漏量為0-1L/h，為了彌補該泄漏流量和防止反應堆冷卻劑沿泵軸向上流到水潤滑軸承和軸密封區域，需要化學容積控制系統連續不斷地供給2 m3/h的軸封注入水，注入水首先進入引射和旋液分離器與高壓密封水匯流在一起，然后進入高壓冷卻器，通過高壓冷卻器后，將流量約5.6 m3/h的軸封注入水溫度降低到45℃左右，在第一級密封前，一路向下起隔液作用，防止主系統高溫冷卻劑直接進入軸密封并對水潤滑軸承提供冷卻潤滑，另一路向上冷卻并潤滑軸密封，將受控泄漏流排到化學容積控制系統。

2 對軸密封系統的主要要求

2.1 軸封系統的運行限制條件

啟主泵條件對軸密封的要求：

軸封注入水流量＞1.2 m3/h；

控制泄漏流流量＞0.2 m3/h。

自動停主泵條件中關于軸密封的要求：

控制泄漏流溫度（1/2邏輯）≥95℃；

控制泄漏流流量（1/2邏輯）≤1.07P+78.6 kg/h。

軸封系統穩定可靠對主泵的安全運行至關重要，因此對主泵軸封系統的注入水及供應主泵設冷水均做出了詳細要求。表1為不同注入水和設冷水條件下對主泵工況要求

2.2 評定軸密封部件狀況的主要準則

評定軸密封部件的主要準則是壓力分級和控制泄漏流量相關參數的變化，雖然三級密封的每一級均能承受系統全壓3小時，但為了主泵及反應堆的安全，在密封及控制泄漏流量出現異常時應及時降模式停止主泵運行。

表2為各級密封在故障情況下各級密封前壓力及泄漏量參數。

密封失效的含義:

一對一號和二號密封如果壓力分配超出額定運行壓力的范圍，就認為這兩道密封已失效，控制泄漏量將超過限制曲線。

一對三號密封：如果三號密封泄漏量（滴漏）不斷增加（正常情況下約0～1L/h），則認為三號密封失效。

3 運行時主要問題分析

3.1正常運行工況

軸封注入水2 t/h與螺旋泵出口來的引射水（3.6 t/h混合后經高壓冷卻器冷卻，注入主泵后分兩股，如圖5左側所示。

圖5 注入水示意圖

表1 各種注入水和設冷水條件對應的主泵工況

表2 密封失效判定

一股向上為軸封供水，分別經過一、二級密封面旁側的蛇形盤管和一、二級密封面，匯合后絕大多數流量由三級密封外側的毛細管流出來（稱為主泵控制泄漏，正常流量約0.8 t/h），經隔離閥回流到化容系統，極少部分水（0～1 L/h）經3#密封后外漏（又稱3#密封泄漏）流入疏排水系統。

另一股向下（約4.8 t/h）經主泵軸上自帶的螺旋泵增壓后，冷卻、潤滑石墨導軸承。然后又分為兩股，其中一股流入引射器，再經高壓冷卻器再循環，另一股水（1.1 t/h）進入泵體，與主系統冷卻劑混合。

注入水用來潤滑和冷卻軸承和軸密封，注入水與通過軸封泄漏流和經過軸承進入主系統的量相平衡。旋風分離器的水與注入水相混合后一同進入高壓冷卻器，以便使軸封水保持一個基本恒定的溫度。

3.2 失去注入水

3.2.1 主泵運轉時失去軸封注入水

可保持運行24小時，此時軸封和軸承所需冷卻水由高壓冷卻回路來冷卻，螺旋泵將泵送約1.5 L/s的流量通過高壓冷卻回路，循環冷卻流全部被旋風分離器凈化，但是此時軸封系統的泄漏量將由主系統水來替代（如圖5右側所示），應密切關注容控箱、穩壓器液位及控制泄漏流溫度。

3.2.2 主泵停運時失去軸封水

稱之為熱虹吸工況，此時高壓冷卻回路中高壓冷卻器所在位置具備產生熱虹吸效應來冷卻軸封和軸承，但是軸封回流的受控泄漏閥必須處于關閉位置。

3.2.3 主泵由運轉至停用失去注入水

主泵由運轉至停用應按照表1所示在轉速降至50 r/min時關閉軸封受控泄漏閥，促成熱虹吸效應形成。

3.3 失電工況

3.3.1 任一6 kV安全段失電

我廠歷史上多次在功率運行時因一段6 kV安全段突然失電使上充泵停運，從而短時失去軸封注入水，但備用上充泵的連鎖自啟使軸封注入水很快恢復，并未對主泵軸封造成損害。但為防止6 kV一段失電時使注入水和冷卻水同時失去（且備用泵未連鎖自啟），建議上充泵、設冷泵分段運行，從而在失電瞬態時為運行人員提供更多的干預時間。

3.3.2 全廠失電

此時軸封注入水、冷卻水均同時失去，主泵設計在軸封注入水、冷卻水同時失去且頂軸油泵失電的情況下也能安全墮轉至停運。我廠新增設的SBO軸封注水系統可在全廠失電工況下為主泵提供軸封水，防止主系統高溫水損壞軸封形成LOCA，但需注意以下事項：

（1）若主泵的冷卻條件事前已喪失過，則在沒有對其可用性進行評價之前，不應再啟動該泵。

（2）若主泵的設冷水已喪失，則在啟動第一臺上充泵之前應隔離相應主泵的軸封注入水。

（3）在主泵失去軸封水后應立即投入SBO軸封注水泵，超過15分鐘需要評估后再決定是否投入軸封注水泵。

（4）應緩慢建立主泵軸封注入水流量以盡量減小熱應力，防止主泵軸密封的損壞。

（5）主泵高壓冷卻器的設冷水應在軸封注水投入20分鐘后投入，以免失電期間在設冷水側形成的蒸汽突然冷凝造成強烈振蕩。

（6）在確認主泵高壓冷卻器設冷側無汽腔后，緩慢恢復主泵設冷水，以免蒸汽突然凝結造成強烈振蕩損壞主泵及主系統壓力邊界。

（7）在沒有對主泵軸密封的可用性進行評價之前，不應啟動該主泵。

3.4 系統失壓

正常的軸封注入水流向應該是一級機械密封、二級機械密封、三級機械密封、主系統，但當主系統失壓后，三級密封注入冷卻水由于失去背壓而直接進入主系統，導致機械密封失去冷卻水，使得三級機械密封發生磨損后喪失設計功能。我廠于R11主系統水實體時因卸壓閥動作使主系統突然失壓，使主泵A的第三級機械密封損壞。

而主系統失壓主要有以下情況。

3.4.1 動態趕氣

我廠大修完畢在主系統充水完成后均需啟主泵對主系統進行數次動態趕氣，主泵啟動后系統壓力會降低，尤其是第一次動態趕氣系統壓力下降最大，此時須由專人控制下泄流量及時回升系統壓力，若系統壓力突降至2.2 MPa則立即停止主泵防止損壞密封件。

不唯如此，動態趕氣時在主泵機械密封壓蓋端面處密封O形圈附近易發生汽水兩相沖擊現象，由于汽水兩相沖擊引發局部壓力脈動，可能使部分水氣突破O形圈的密封，通過聯接螺栓而滲出。

建議我廠增設主系統抽真空裝置，除了能大幅減少充水時間之外，也省去了啟主泵動態趕氣的環節。

3.4.2 功率運行時失壓功率運行時主系統失壓而停堆，應嚴格遵守事故規程關注系統壓力及時停止主泵運行。

3.5 高壓冷卻器一次閥關閉

我廠于2016年6月21日功率運行時發現主泵B的高壓冷卻器一次側進出口閥關閉，控制泄漏流溫度由56℃升至67℃、主泵B高壓冷卻器一次側溫度39.2℃降至32.1℃，后查明為主泵B高壓冷卻器的設冷水流量報警卡定值漂移使一次側進出口閥關閉。在高壓冷卻器一次側隔離情況下，軸封注入水會通過旋液分離器反向進入主泵葉輪背面，然后向上冷卻水潤滑導軸承和軸密封，圖6為一次閥關閉后控制泄漏流溫度變化趨勢，可知泄漏流溫度上升至67℃后趨于穩定，不會一直上升：

圖6 高壓冷卻器一次側關閉后控制泄漏流溫度變化

（1）0.8 m3/h軸封注入水逆著螺旋泵并流經三道密封（控制泄漏）

（2）剩余的1.2 m3/h進入主系統

（3）控制泄漏流溫升：47→67℃。與正常狀況下溫升37→57℃相當。

高壓冷卻器設冷水流量達20 m3/h時認為高壓冷卻器傳熱管發生破裂，將破口自動隔離，而主泵運行維護說明書明確表示這種工況不需要自動停泵，持續監測控制泄漏流溫度大于95℃時停泵[4]。

主泵的生產廠家德國KSB認為在關閉高壓冷卻器進出口閥門的情況下，軸封注入水會通過旋液分離器反向進入主泵葉輪背面，然后向上冷卻水潤滑導軸承和機械密封，這種工況屬于主泵的設計工況之一，且做過臺架試驗，不會導致泵的損壞。

該工況下應視為軸封注入水并未喪失，僅是高壓冷卻器的設冷水喪失，此時應嚴密監視主泵受控泄漏流量和溫度，防止工況惡化。同時也為高壓冷卻器失去設冷水時提供了干預方向，即關閉高壓冷卻器一次側進出口閥，防止失去冷卻水時注入水繼續引射泵體高溫水使軸封水溫度超限。

但此工況并非正常運行工況，尤其是因誤發設冷水流量高信號使冷卻器一次側閥門隔離，因此，建議對高壓冷卻器一次側進出口閥增加手自動選擇開關，誤關閉時可手動開啟，及時使軸封注入水恢復至正常運行工況。

4 結語

本文介紹了KSB公司生產的RER700型主泵軸密封的結構組成及密封冷卻原理，詳細列舉了軸密封各種運行條件下的不同限制要求，對判別軸密封失效的準則進行了闡述。結合秦山一期主泵運行事例對軸密封運行問題進行了逐一分析，并對其中存在的運行風險提出了解決建議。