主熱傳輸泵軸封失效診斷與響應

張曉暉　秦川　王寧寧

張曉暉 秦川 王寧寧

中核核電運行管理有限公司 浙江 嘉興 314300

摘要：主熱傳輸泵運行在主熱傳輸系統高溫、高壓的環境下，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行，甚至可能導致發生重水泄漏的嚴重后果。本論文從主熱傳輸泵軸封的結構特點出發，基于實際事故工況下的參數變化和系統設備響應，分析發生的主熱傳輸泵機械密封失效故障工況的機理和現象、以及故障可能導致的后果，并給出響應方案。

關鍵詞 主泵軸封;失效;診斷;響應

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堆。正常運行時，依靠主熱傳輸泵運轉所提供的驅動壓頭來維持冷卻劑的循環流量，從而為堆芯燃料提供冷卻，同時將燃料裂變產生的熱能帶到蒸汽發生器并傳給二次側的輕水產生蒸汽，驅動汽輪發電機組發電^[1]。主熱傳輸泵（以下簡稱主泵）是單級單吸雙排立式離心泵，由一臺額定功率為6.7MWe的鼠籠感應電機驅動，設計流量2227.59 l/s，揚程215 m，轉速1500 rpm，工作壓力9.5-11MPa，工作溫度260℃，泵體內僅有一組水潤滑導軸承。密封形式為三級機械密封帶后備密封，型號 Sulzer Bingham RV850，每一道機械密封包含一個動環和一個靜環，每兩個動靜環部件之間會相互摩擦發熱，需要流量恒定的冷卻水連續對其進行冷卻^[2]。

主泵軸封主要結構介紹

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，然后通過聯軸器與主泵電機軸相連接。其中，實現密封功能的是一套安裝在軸封腔內的軸封組件，它是一套預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道機械密封、減壓盤管等主要零部件。

輔助葉輪

輔助葉輪由一個無頭螺桿構成，安裝在軸承上方的泵軸上。輔助葉輪的作用是當泵運轉時形成向下的強迫循環流量，為軸承提供冷卻和潤滑，同時保證高溫高壓的冷卻劑不會直接沿泵軸向上流動，進入機械密封腔和機械密封而導致密封損壞。

機械密封

每臺主泵有3道機械密封，它們串聯排列在主泵大軸的軸套上。

每道機械密封包括一個靜環和一個動環，動環依靠彈簧沿軸向的作用力與靜環緊密貼合在一起，從而起到密封功能阻止泄漏。在主泵運行時，依靠軸封注入流的正常供給，靜環和動環之間形成高壓液膜，以保證潤滑和冷卻。靜環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管直接泄漏到下一級密封腔。設計上，三道機械密封平均承擔主熱傳輸系統壓力，但是在異常工況下（如機械密封發生失效），每道機械密封能承受整個主熱傳輸系統的壓力^[3]。

備用密封

在第三級機械密封后面，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。備用密封設計上能承受整個主熱傳輸系統的壓力，并在發生三道機械密封失效的異常工況下，在主泵停運后能減少冷卻劑泄漏。

密封腔和減壓盤管

在每道機械密封前各有一個密封腔，主泵軸封注入的冷卻水一部分向下通過輔助葉輪后形成循環和進入主熱傳輸系統，另一部分流量向上依次通過三道密封腔后，再通過軸封回流閥（3334-PV5～8）返回重水儲存箱（3333-TK1）。在前后級密封腔之間通過減壓盤管降壓，三道盤管平均分配主熱傳輸系統的壓力到三個密封腔內，使三道機械密封平均分擔壓力。

軸封回流閥3334-PV5～PV8

軸封回流閥是一種氣動截止閥，帶有波紋管閥桿密封。當主泵運行時，軸封回流閥是打開的，軸封冷卻水依次冷卻三道機械密封后返回重水儲存箱;當主泵停止運行，大約延遲一分鐘后，軸封回流閥降自動關閉。在主泵電機斷路器斷開一分鐘以后，軸封回流閥自動關閉。^[4]

機械密封失效事件診斷及響應

事件描述

2014年6月14日晚21時左右，秦三廠1號機組3#主泵機械密封回流水溫度出現波動，從60℃上升到最高79℃，同時伴隨著機械密封三級壓差的同步波動，波動幅度在0.3MPa左右。且現場發現該泵機械密封引漏管線內的流量增大^[5]。2014年6月15日零時該泵的第三級機械密封壓差從正常的3.3MPa左右突然降低至0.8MPa左右，據此確認該泵第三級機械密封失效，隨后根據運行規程執行停堆、停泵操作。2014年6月17日1號更換了失效的機械密封。系統恢復后，機組重新啟動，3#主泵機械密封以及其他運行參數全部恢復正常水平^[6]。

事件診斷

主控人員檢查主泵軸封參數發現3#主泵三級機械密封壓差出現小幅連續波動，機械密封回流水溫度在60℃與79℃之間波動，立即令現場操作人員檢查并持續監視3#主泵機械密封引漏管線內的泄漏流量，現場人員匯報3#主泵對應引漏管流量增大，略帶壓力。主控人員根據機械密封失效工況機理和現象，初步判定3#主泵三級機械密封失效^[7]。

事件響應

在觀測到3#主泵第三級機械密封壓差下從3.3MPa降到0.9MPa左右，第一、第二級機械密封壓差由3.0MPa上升到4.2MPa左右，確定3#主泵第三級機械密封失效，執行停堆降功率操作，停運3#主泵，主系統降壓至200kPa，機組進入非常低功率冷態泄壓模式4運行，之后主系統進入低水位模式運行。^[8][9]維修人員對缺陷的3#主泵機械密封進行了整體更換。系統恢復后，機組重新啟動，經過檢查，更換后的3#主泵機械密封工作狀態正常，3#主泵各項參數穩定，至此，3#主泵機械密封缺陷已經確認消除。

第三級機械密封失效發生前后3#主泵相關參數如圖3-1，機械密封回流水溫度（紫色曲線）波動伴隨著各級機械密封壓差的波動（綠色、藍色、黃色），最終機械密封第三級密封壓差下降到0.9MPa左右，確認第三級機械密封失效^[10]。

（1）水中雜質導致密封面損壞的可能性：

主熱傳輸系統水質有嚴格的控制，主熱傳輸凈化系統裝備有5μm的過濾器，去除系統雜質。在此基礎上，主熱傳輸泵的軸封系統單獨配有5μm的過濾器，專門用于除去主泵軸封供水系統中的雜質，以保證主泵機械密封長期穩定運行。3#主泵失效前后，軸封過濾器壓差無波動，且軸封過濾器按正常周期進行更換，不存在破損的可能^[11]。

（2）機械密封本身損壞的可能性：

大修啟動期間，根據預防性維修計劃更換了3#主泵的機械密封。為減少機械密封的正常泄漏量，3#主泵機械密封的密封彈簧壓縮量調節偏緊，導致系統升溫升壓期間該泵的機械密封回流水出現了高溫。機械密封動環在出現高溫時仍然被50攝氏度左右的密封冷卻水不斷冷卻，造成機械密封動環表面出現了龜裂。經過現場調整機械密封彈簧壓縮量后，3#主泵投入運行，其三級機械密封的密封壓差有一定波動，波動在兩天后消失，3#主泵機械密封各項參數均恢復正常^[12]。

結論

經分析，本次事件中3#主泵第三級機械密封失效原因是由于系統多次啟停，加速了第三級機械密封缺陷動環表面龜裂的增加和擴展，并最終導致機械密封動環表面材料脫落，破壞機械密封動、靜環密封面，使得密封副喪失密封能力。加之，對動環材料的特性認識不足，初次缺陷出現后未能識別內在的可能缺陷，導致機械密封長期缺陷運行并最終失效。

通過此次事件，要進行一下工作：1）對于主泵機械密封的性能狀況需要得到足夠的監視和重視，當發生失效時必須正確響應防止故障惡化而可能造成的LOCA事故;2）應用保守策略，在有效時間窗口安排機械密封的更換檢查。

參考文獻

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[3]98-33122-9022-MM-A Pump Installation， Operation and Maintenance Manual（主熱傳輸泵安裝、運行和維修手冊）

[4]HQ-7-33340 MAIN PUMP GLAND INJECTION SYSTEM （Gentilly-2電廠系統培訓教材）

[5] 劉志勇，秦山第三核電廠1號機組3#主泵第三級機械密封失效導致機組停堆事件報告

[6] 莫芝寧，主熱傳輸系統及其輔助系統98-33000-TPOPOM-0001，2020

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