主熱傳輸泵軸封失效診斷與響應(yīng)

張曉暉　秦川　王寧寧

張曉暉 秦川 王寧寧

中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江 嘉興 314300

摘要：主熱傳輸泵運(yùn)行在主熱傳輸系統(tǒng)高溫、高壓的環(huán)境下，主熱傳輸泵軸封性能的好壞將直接影響主熱傳輸泵是否可以維持運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致發(fā)生重水泄漏的嚴(yán)重后果。本論文從主熱傳輸泵軸封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，基于實(shí)際事故工況下的參數(shù)變化和系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)，分析發(fā)生的主熱傳輸泵機(jī)械密封失效故障工況的機(jī)理和現(xiàn)象、以及故障可能導(dǎo)致的后果，并給出響應(yīng)方案。

關(guān)鍵詞 主泵軸封;失效;診斷;響應(yīng)

Failure Diagnosis and Response of Main Heat Transfer Pump Shaft Seal

ZHANG Xiaohui QIN Chuan WANG Ningning

（CNNC Nuclear Power Operations Management Co.Ltd， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China ）

Abstract： The main heat transfer pump operates in the high temperature and high pressure environment of the main heat transfer system. The performance of the shaft seal of the main heat transfer pump will directly affect whether the main heat transfer pump can maintain its operation， and may even lead to serious consequences of heavy water leakage. Based on the structural characteristics of the shaft seal of the main heat transfer pump， this paper analyzes the mechanism and phenomenon of the failure of the mechanical seal of the main heat transfer pump， and the possible consequences of the failure， and gives the response scheme.

Key Words： Main pump shaft seal; Failure; Diagnosis; Response

概述

秦山第三核電廠是從加拿大引進(jìn)的CANDU-6型核電廠，是采用重水作為慢化劑和冷卻劑的天然鈾反應(yīng)堆。正常運(yùn)行時(shí)，依靠主熱傳輸泵運(yùn)轉(zhuǎn)所提供的驅(qū)動(dòng)壓頭來(lái)維持冷卻劑的循環(huán)流量，從而為堆芯燃料提供冷卻，同時(shí)將燃料裂變產(chǎn)生的熱能帶到蒸汽發(fā)生器并傳給二次側(cè)的輕水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電^[1]。主熱傳輸泵（以下簡(jiǎn)稱主泵）是單級(jí)單吸雙排立式離心泵，由一臺(tái)額定功率為6.7MWe的鼠籠感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)流量2227.59 l/s，揚(yáng)程215 m，轉(zhuǎn)速1500 rpm，工作壓力9.5-11MPa，工作溫度260℃，泵體內(nèi)僅有一組水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承。密封形式為三級(jí)機(jī)械密封帶后備密封，型號(hào) Sulzer Bingham RV850，每一道機(jī)械密封包含一個(gè)動(dòng)環(huán)和一個(gè)靜環(huán)，每?jī)蓚€(gè)動(dòng)靜環(huán)部件之間會(huì)相互摩擦發(fā)熱，需要流量恒定的冷卻水連續(xù)對(duì)其進(jìn)行冷卻^[2]。

主泵軸封主要結(jié)構(gòu)介紹

在主泵大軸上，由下到上有泵主葉輪、軸套、軸承、輔助葉輪、軸封組件等，然后通過(guò)聯(lián)軸器與主泵電機(jī)軸相連接。其中，實(shí)現(xiàn)密封功能的是一套安裝在軸封腔內(nèi)的軸封組件，它是一套預(yù)先組裝好的整體組件，可以整體拆裝。軸封組件包括有備用密封、3道機(jī)械密封、減壓盤(pán)管等主要零部件。

輔助葉輪

輔助葉輪由一個(gè)無(wú)頭螺桿構(gòu)成，安裝在軸承上方的泵軸上。輔助葉輪的作用是當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)形成向下的強(qiáng)迫循環(huán)流量，為軸承提供冷卻和潤(rùn)滑，同時(shí)保證高溫高壓的冷卻劑不會(huì)直接沿泵軸向上流動(dòng)，進(jìn)入機(jī)械密封腔和機(jī)械密封而導(dǎo)致密封損壞。

機(jī)械密封

每臺(tái)主泵有3道機(jī)械密封，它們串聯(lián)排列在主泵大軸的軸套上。

每道機(jī)械密封包括一個(gè)靜環(huán)和一個(gè)動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)依靠彈簧沿軸向的作用力與靜環(huán)緊密貼合在一起，從而起到密封功能阻止泄漏。在主泵運(yùn)行時(shí)，依靠軸封注入流的正常供給，靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間形成高壓液膜，以保證潤(rùn)滑和冷卻。靜環(huán)和密封腔之間安裝有兩道“O”型圈密封，以阻止軸封注入流旁通減壓盤(pán)管直接泄漏到下一級(jí)密封腔。設(shè)計(jì)上，三道機(jī)械密封平均承擔(dān)主熱傳輸系統(tǒng)壓力，但是在異常工況下（如機(jī)械密封發(fā)生失效），每道機(jī)械密封能承受整個(gè)主熱傳輸系統(tǒng)的壓力^[3]。

備用密封

在第三級(jí)機(jī)械密封后面，安裝有一道備用密封。備用密封由互相連鎖的碳組件構(gòu)成，這些組件沿軸向向上由彈簧支撐，然后被壓蓋固定。備用密封設(shè)計(jì)上能承受整個(gè)主熱傳輸系統(tǒng)的壓力，并在發(fā)生三道機(jī)械密封失效的異常工況下，在主泵停運(yùn)后能減少冷卻劑泄漏。

密封腔和減壓盤(pán)管

在每道機(jī)械密封前各有一個(gè)密封腔，主泵軸封注入的冷卻水一部分向下通過(guò)輔助葉輪后形成循環(huán)和進(jìn)入主熱傳輸系統(tǒng)，另一部分流量向上依次通過(guò)三道密封腔后，再通過(guò)軸封回流閥（3334-PV5～8）返回重水儲(chǔ)存箱（3333-TK1）。在前后級(jí)密封腔之間通過(guò)減壓盤(pán)管降壓，三道盤(pán)管平均分配主熱傳輸系統(tǒng)的壓力到三個(gè)密封腔內(nèi)，使三道機(jī)械密封平均分擔(dān)壓力。

軸封回流閥3334-PV5～PV8

軸封回流閥是一種氣動(dòng)截止閥，帶有波紋管閥桿密封。當(dāng)主泵運(yùn)行時(shí)，軸封回流閥是打開(kāi)的，軸封冷卻水依次冷卻三道機(jī)械密封后返回重水儲(chǔ)存箱;當(dāng)主泵停止運(yùn)行，大約延遲一分鐘后，軸封回流閥降自動(dòng)關(guān)閉。在主泵電機(jī)斷路器斷開(kāi)一分鐘以后，軸封回流閥自動(dòng)關(guān)閉。^[4]

機(jī)械密封失效事件診斷及響應(yīng)

事件描述

2014年6月14日晚21時(shí)左右，秦三廠1號(hào)機(jī)組3#主泵機(jī)械密封回流水溫度出現(xiàn)波動(dòng)，從60℃上升到最高79℃，同時(shí)伴隨著機(jī)械密封三級(jí)壓差的同步波動(dòng)，波動(dòng)幅度在0.3MPa左右。且現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該泵機(jī)械密封引漏管線內(nèi)的流量增大^[5]。2014年6月15日零時(shí)該泵的第三級(jí)機(jī)械密封壓差從正常的3.3MPa左右突然降低至0.8MPa左右，據(jù)此確認(rèn)該泵第三級(jí)機(jī)械密封失效，隨后根據(jù)運(yùn)行規(guī)程執(zhí)行停堆、停泵操作。2014年6月17日1號(hào)更換了失效的機(jī)械密封。系統(tǒng)恢復(fù)后，機(jī)組重新啟動(dòng)，3#主泵機(jī)械密封以及其他運(yùn)行參數(shù)全部恢復(fù)正常水平^[6]。

事件診斷

主控人員檢查主泵軸封參數(shù)發(fā)現(xiàn)3#主泵三級(jí)機(jī)械密封壓差出現(xiàn)小幅連續(xù)波動(dòng)，機(jī)械密封回流水溫度在60℃與79℃之間波動(dòng)，立即令現(xiàn)場(chǎng)操作人員檢查并持續(xù)監(jiān)視3#主泵機(jī)械密封引漏管線內(nèi)的泄漏流量，現(xiàn)場(chǎng)人員匯報(bào)3#主泵對(duì)應(yīng)引漏管流量增大，略帶壓力。主控人員根據(jù)機(jī)械密封失效工況機(jī)理和現(xiàn)象，初步判定3#主泵三級(jí)機(jī)械密封失效^[7]。

事件響應(yīng)

在觀測(cè)到3#主泵第三級(jí)機(jī)械密封壓差下從3.3MPa降到0.9MPa左右，第一、第二級(jí)機(jī)械密封壓差由3.0MPa上升到4.2MPa左右，確定3#主泵第三級(jí)機(jī)械密封失效，執(zhí)行停堆降功率操作，停運(yùn)3#主泵，主系統(tǒng)降壓至200kPa，機(jī)組進(jìn)入非常低功率冷態(tài)泄壓模式4運(yùn)行，之后主系統(tǒng)進(jìn)入低水位模式運(yùn)行。^[8][9]維修人員對(duì)缺陷的3#主泵機(jī)械密封進(jìn)行了整體更換。系統(tǒng)恢復(fù)后，機(jī)組重新啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)檢查，更換后的3#主泵機(jī)械密封工作狀態(tài)正常，3#主泵各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，至此，3#主泵機(jī)械密封缺陷已經(jīng)確認(rèn)消除。

第三級(jí)機(jī)械密封失效發(fā)生前后3#主泵相關(guān)參數(shù)如圖3-1，機(jī)械密封回流水溫度（紫色曲線）波動(dòng)伴隨著各級(jí)機(jī)械密封壓差的波動(dòng)（綠色、藍(lán)色、黃色），最終機(jī)械密封第三級(jí)密封壓差下降到0.9MPa左右，確認(rèn)第三級(jí)機(jī)械密封失效^[10]。

（1）水中雜質(zhì)導(dǎo)致密封面損壞的可能性：

主熱傳輸系統(tǒng)水質(zhì)有嚴(yán)格的控制，主熱傳輸凈化系統(tǒng)裝備有5μm的過(guò)濾器，去除系統(tǒng)雜質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，主熱傳輸泵的軸封系統(tǒng)單獨(dú)配有5μm的過(guò)濾器，專門(mén)用于除去主泵軸封供水系統(tǒng)中的雜質(zhì)，以保證主泵機(jī)械密封長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。3#主泵失效前后，軸封過(guò)濾器壓差無(wú)波動(dòng)，且軸封過(guò)濾器按正常周期進(jìn)行更換，不存在破損的可能^[11]。

（2）機(jī)械密封本身?yè)p壞的可能性：

大修啟動(dòng)期間，根據(jù)預(yù)防性維修計(jì)劃更換了3#主泵的機(jī)械密封。為減少機(jī)械密封的正常泄漏量，3#主泵機(jī)械密封的密封彈簧壓縮量調(diào)節(jié)偏緊，導(dǎo)致系統(tǒng)升溫升壓期間該泵的機(jī)械密封回流水出現(xiàn)了高溫。機(jī)械密封動(dòng)環(huán)在出現(xiàn)高溫時(shí)仍然被50攝氏度左右的密封冷卻水不斷冷卻，造成機(jī)械密封動(dòng)環(huán)表面出現(xiàn)了龜裂。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整機(jī)械密封彈簧壓縮量后，3#主泵投入運(yùn)行，其三級(jí)機(jī)械密封的密封壓差有一定波動(dòng)，波動(dòng)在兩天后消失，3#主泵機(jī)械密封各項(xiàng)參數(shù)均恢復(fù)正常^[12]。

結(jié)論

經(jīng)分析，本次事件中3#主泵第三級(jí)機(jī)械密封失效原因是由于系統(tǒng)多次啟停，加速了第三級(jí)機(jī)械密封缺陷動(dòng)環(huán)表面龜裂的增加和擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致機(jī)械密封動(dòng)環(huán)表面材料脫落，破壞機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)密封面，使得密封副喪失密封能力。加之，對(duì)動(dòng)環(huán)材料的特性認(rèn)識(shí)不足，初次缺陷出現(xiàn)后未能識(shí)別內(nèi)在的可能缺陷，導(dǎo)致機(jī)械密封長(zhǎng)期缺陷運(yùn)行并最終失效。

通過(guò)此次事件，要進(jìn)行一下工作：1）對(duì)于主泵機(jī)械密封的性能狀況需要得到足夠的監(jiān)視和重視，當(dāng)發(fā)生失效時(shí)必須正確響應(yīng)防止故障惡化而可能造成的LOCA事故;2）應(yīng)用保守策略，在有效時(shí)間窗口安排機(jī)械密封的更換檢查。

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