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(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京102206；2.華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京102206；3.華北電力大學(xué) 非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100206；4.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)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(guó)可持續(xù)發(fā)展方針。在核電站中，需要用到各類的核安全一級(jí)到三級(jí)泵，而在核安全一級(jí)泵中，反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱主泵)由于可以為一回路的冷卻劑循環(huán)提供動(dòng)力，是核電站的關(guān)鍵設(shè)備。實(shí)際運(yùn)行情況下，核安全一級(jí)泵需要在高溫、高壓、放射性環(huán)境下工作，容易發(fā)生各種故障，從而直接威脅到核電站的安全運(yùn)行。雖然洪振旻等[1]對(duì)主泵機(jī)械密封泄漏量異常進(jìn)行過研究，齊盼進(jìn)等[2]對(duì)主泵軸承故障進(jìn)行過分析研究，黃佳平等[3]對(duì)氣動(dòng)閥診斷檢修技術(shù)進(jìn)行了探討，但是都對(duì)主泵注入水引起的故障研究還不夠深入。因此，對(duì)主泵的注入水參數(shù)與常見故障進(jìn)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(guān)借鑒。

1 主泵的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 CPR1000主泵結(jié)構(gòu)

1.1.1 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)均為泵在主體的下部，電機(jī)在泵上部。泵的運(yùn)行由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通常使用三級(jí)密封方式作為軸密封的措施。電機(jī)結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。

圖1 主泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of main pump

從圖1可以看到，主泵結(jié)構(gòu)大致可以分為3個(gè)部分：1)水力機(jī)械部分，包括吸入口和出水口接管、泵殼、葉輪、擴(kuò)壓器和導(dǎo)流管、泵軸、水泵軸承和熱屏等部件；2)軸封系統(tǒng)，主要是3個(gè)軸密封部件；3)電動(dòng)機(jī)部分，包括電動(dòng)機(jī)、止推軸承、上下徑向軸承、頂軸油泵系統(tǒng)和慣性飛輪等部件。

1.1.2 運(yùn)行參數(shù)

以大亞灣核電站1、2號(hào)機(jī)主泵為例[4]，大亞灣核電站的安全殼內(nèi)放置主泵機(jī)組，其運(yùn)行參數(shù)為：環(huán)境溫度Tw最高溫度為50 ℃，最低溫度為15 ℃；正常工況下反應(yīng)堆主泵吸入口管嘴壓力為15.2 MPa，溫度為293 ℃，其最低運(yùn)行壓力不小于2.3 MPa，若出現(xiàn)運(yùn)行壓力低于2.3 MPa，易發(fā)生葉輪汽蝕;反應(yīng)堆主泵出水口管嘴處的最大壓力為17.1 MPa。

1.2 AP1000主泵結(jié)構(gòu)

AP1000主泵與二代核電主泵不同，為單級(jí)、全密封、高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屏蔽式離心泵，AP1000主泵結(jié)構(gòu)[1]如圖2所示。

從圖2可以看到，反應(yīng)堆主泵水力部件(包含葉輪、吸入段、導(dǎo)葉等)是設(shè)計(jì)安裝在主泵電動(dòng)機(jī)上端的，部件之間不設(shè)有聯(lián)軸器。反應(yīng)堆主泵的轉(zhuǎn)子部分(包含水力部件和轉(zhuǎn)子部分)的支撐是依靠電動(dòng)機(jī)上下部分的徑向滑動(dòng)軸承和下方雙向推力軸承，軸承的冷卻和潤(rùn)滑主要依靠于一回路的水進(jìn)行的。反應(yīng)堆主泵的電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)子部分包容在承壓殼內(nèi)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(dān)來自核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的所有壓力。

圖2 主泵軸封結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of main pump shaft seal

1.3 AP1000與CPR1000主泵對(duì)比

1.3.1 參數(shù)比較

相對(duì)于傳統(tǒng)的軸封式主泵，屏蔽泵在額定功率、額定流量、揚(yáng)程等參數(shù)上有所不同，AP1000主泵與CPR1000主泵參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 AP1000與CPR1000參數(shù)對(duì)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(yáng)程反比CPR1000高14%。

1.3.2 特點(diǎn)比較

AP1000屏蔽泵與CPR1000主泵相比，其主要特點(diǎn)有：

1)AP1000主泵為屏蔽式主泵，由于其旋轉(zhuǎn)軸不存在向外延伸的部分，因此就不會(huì)出現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)，將極大地強(qiáng)化了核反應(yīng)堆的安全性能。

2)CPR1000具有軸封系統(tǒng)，而屏蔽泵由于去除軸封系統(tǒng)和與之相關(guān)的輔助系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，同時(shí)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(zhuǎn)子本身重量及水對(duì)葉輪產(chǎn)生的推力組成的。對(duì)于將泵設(shè)置在上部，電動(dòng)機(jī)設(shè)置在下部的布局，兩部分軸向力的方向相反，在靜止時(shí)推力軸承受來自于轉(zhuǎn)子的重量，在泵運(yùn)行過程中葉輪水推力能夠抵消掉部分轉(zhuǎn)子的重量。

綜上所述，AP1000的主泵——屏蔽泵具備封閉性強(qiáng)、安全系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、運(yùn)行更為平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

2 主泵的常見故障分析

2.1 注入水參數(shù)變化

嶺澳的二號(hào)機(jī)組[5]的3臺(tái)CPR1000主泵自從商業(yè)運(yùn)行以來，在每次燃料循環(huán)的末期發(fā)生一號(hào)密封的泄漏量異常的現(xiàn)象。在每年的例行大修前45天左右，一號(hào)密封均會(huì)發(fā)生泄漏量上升，嚴(yán)重時(shí)泄漏量接近報(bào)警值。因此每次在大修時(shí)都會(huì)對(duì)一號(hào)密封進(jìn)行拆除，并進(jìn)行檢查，這對(duì)人力物力造成了大量的浪費(fèi)。

在進(jìn)行第3次大修時(shí)，為分析連續(xù)3年一號(hào)密封泄漏量異常的現(xiàn)象，將原有一號(hào)密封組件進(jìn)行拆除更換，并將其送去法國(guó)原廠家進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

此一號(hào)密封組件由JSPM公司提供，材質(zhì)為氧化鋁，密封方式為機(jī)械密封。該實(shí)驗(yàn)在1999年12月進(jìn)行，試驗(yàn)顯示數(shù)據(jù)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(yàn)臺(tái)架上對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行檢查，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可知：正常運(yùn)行工況下，主泵的一號(hào)密封系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)正常，和設(shè)定值差別不大。

表2 試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)Table 2 Data on test bench

2.1.2 參數(shù)變化趨勢(shì)

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制泄漏壓力、泄漏流量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，泄漏溫度、注入溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖3 泄漏壓力、泄漏流量隨時(shí)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(shí)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(shí)間的變化而變化。隨著時(shí)間的增大，泄漏流量先增大后減小，在時(shí)間為1.5 h到2.5 h內(nèi)，泄漏流量幾乎不變，在時(shí)間到達(dá)3 h時(shí)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(jīng)過1h增長(zhǎng)到69.1 ℃后，就一直保持平穩(wěn)，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(shí)間的變化可知，一號(hào)軸封各部件并未產(chǎn)生異常反應(yīng)，機(jī)械密封并不是導(dǎo)致在運(yùn)行時(shí)間末期所產(chǎn)生的泄漏流量異?，F(xiàn)象的原因。廠家經(jīng)過試驗(yàn)后指出，運(yùn)行壽期末所產(chǎn)生的泄漏流量異?，F(xiàn)象，可能是由水注入特性的變化引起的機(jī)械密封性能突變引起的。

2.2 電泳現(xiàn)象

溶液中帶電粒子在電場(chǎng)中移動(dòng)的現(xiàn)象叫作電泳，電泳現(xiàn)象是導(dǎo)致一號(hào)密封泄漏量異常的重要因素，當(dāng)流體流經(jīng)一號(hào)密封時(shí)，流體中的帶電顆粒在密封面處在電泳現(xiàn)象的作用下堆積，進(jìn)而對(duì)一號(hào)密封組件的密封面流道產(chǎn)生影響，改變流道面積，導(dǎo)致一號(hào)密封組件泄漏。電泳現(xiàn)象的控制對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及一號(hào)密封泄漏量的控制起至關(guān)重要的作用。一號(hào)密封中存在的電泳現(xiàn)象主要有以下幾部分組成：

1)機(jī)械密封注入水的物性參數(shù)；

2)注入水中所含腐蝕產(chǎn)物顆粒對(duì)一號(hào)密封組件的影響；

3)將一號(hào)密封組件中的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)當(dāng)作電極。

2.3 注水水化學(xué)現(xiàn)象

核反應(yīng)堆主泵在運(yùn)行中，隨著機(jī)組的燃耗增加，回路系統(tǒng)內(nèi)的硼濃度將不斷降低，容控箱的pH值增加，這時(shí)會(huì)導(dǎo)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(jìn)而引起軸封密封性發(fā)生惡化。而在壽期末容控箱出水pH增長(zhǎng)的斜率明顯加大，相應(yīng)引起的效應(yīng)更加明顯。

在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)：主泵一號(hào)密封組件在系統(tǒng)進(jìn)行慢稀釋和快稀釋時(shí)的泄漏量會(huì)產(chǎn)生變化。慢稀釋[6]時(shí)，主泵機(jī)械密封泄漏流量不斷上升，除鹽水由硼水補(bǔ)給系統(tǒng)注入到容控箱中，與容控箱中原有的水進(jìn)行混合，并流入上充流。這部分水與正常狀態(tài)下的上充流水質(zhì)相差不大，但當(dāng)可進(jìn)行快稀釋時(shí)，水直接注入上充流入口，此時(shí)上充流流量增大，與正常上充流比較pH低。此時(shí)的上充流對(duì)一號(hào)密封組件密封面的顆粒層存在溶解作用。當(dāng)采用慢稀釋時(shí)，此時(shí)的溶解作用降低，會(huì)導(dǎo)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(hào)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(zhuǎn)子的故障還有汽蝕作用導(dǎo)致的故障等等，這些故障差異性較大，準(zhǔn)確判斷故障的類型對(duì)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(duì)第2節(jié)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(gè)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(gè)方面，軸封水溫度降低，熱膨脹和熱應(yīng)力減小，進(jìn)而減少密封面的變形程度，減少了泄漏量。

2)切換濾網(wǎng)。軸封注入水裝設(shè)有一個(gè)備用濾網(wǎng)。備用濾網(wǎng)之前一直處于備用狀態(tài)，在早期就充滿了水，當(dāng)切換到備用濾網(wǎng)時(shí)，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(duì)沉積在密封面上的顆粒物進(jìn)行清潔[8]利于密封面形狀的恢復(fù)，從而減少泄漏量。

3)改變密封注入水的濾網(wǎng)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(huì)使得密封面形狀改變、性能下降。在對(duì)主泵進(jìn)行檢修時(shí)，采用過濾更細(xì)的濾網(wǎng)可以有利地改善水質(zhì)，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(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)振動(dòng)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但在日常運(yùn)行中會(huì)存在不可預(yù)見的問題，因此西屋公司在對(duì)屏蔽泵進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)在泵內(nèi)部預(yù)留下一部分空間便于檢修，然而由于此空間預(yù)留面積較小，反而增加了維修難度。

5)其他故障預(yù)防及處理。在正常運(yùn)行維護(hù)時(shí)，比較簡(jiǎn)單的預(yù)防方式為按時(shí)更換潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑軸承運(yùn)行一段時(shí)間后需要進(jìn)行換油。滾動(dòng)軸承換油的時(shí)間則要在大修期間，運(yùn)行時(shí)需要關(guān)注其油位，及時(shí)補(bǔ)充。其次，要及時(shí)更換盤根，安裝要正確。發(fā)現(xiàn)盤根磨損比較嚴(yán)重或者已經(jīng)老化時(shí)，要及時(shí)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(guān)鍵點(diǎn)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(jié) 論

通過對(duì)主泵易出現(xiàn)的其他故障特征等進(jìn)行歸類，主要對(duì)引起主泵機(jī)械密封惡化的3個(gè)原因(注水參數(shù)變化、電泳現(xiàn)象和注水水化學(xué)現(xiàn)象)進(jìn)行分析。系統(tǒng)地展現(xiàn)了主泵的主要故障問題，針對(duì)出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的干預(yù)措施和檢修方案，為現(xiàn)場(chǎng)的檢修人員提供了理論上的參考意見。

1)電泳現(xiàn)象可造成機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)間流道特性改變，引起機(jī)械密封泄漏流量異常。

2)注入水水化學(xué)現(xiàn)象可加劇惡化機(jī)械密封性能。

3)屏蔽泵具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但泵的檢修很困難。