主泵軸封水回流溫度高原因分析及應(yīng)對措施

王飛

【摘 要】本文介紹了核電廠主熱傳輸泵及軸封系統(tǒng)的工作原理，分析了主泵軸封水回流溫度高的可能原因及其應(yīng)對處理措施，并借鑒了該事件的外部經(jīng)驗反饋。

【關(guān)鍵詞】主熱傳輸泵；軸封系統(tǒng)；處理措施；經(jīng)驗反饋

1 主熱傳輸系統(tǒng)概述

主熱傳輸系統(tǒng)是由主熱傳輸泵（以下簡稱主泵）、蒸汽發(fā)生器、出口集管、入口集管、壓力管式燃料通道及相應(yīng)連接管所組成的閉式環(huán)路。加壓重水冷卻劑在主熱傳輸系統(tǒng)中循環(huán)，將燃料通道中的核燃料裂變產(chǎn)生的熱量傳遞到蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的輕水，使其產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2 設(shè)備描述

2.1 主泵

主泵位于蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆入口集管之間。泵為立式、單級、雙蝸殼離心泵，有一個垂直的入口管及兩個出口管。在正常運(yùn)行工況下，泵入口壓力為9.44MPa，出口壓力為11.25MPa，流量為2228l/s。每臺泵由一臺11.6kV的感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動。為避免反應(yīng)堆廠房內(nèi)產(chǎn)生飛射物事故，在主泵電機(jī)上不設(shè)置飛輪，通過增加電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸質(zhì)量方式，使其轉(zhuǎn)動慣量為1825kgm2，這樣確保了當(dāng)電機(jī)失去電源時，泵惰轉(zhuǎn)流量下降速率與停堆后反應(yīng)堆功率下降的速率相匹配，有效地導(dǎo)出堆內(nèi)余熱和衰變熱。當(dāng)主泵惰轉(zhuǎn)停止后，主熱傳輸系統(tǒng)靠自然循環(huán)的方式以蒸汽發(fā)生器為熱阱繼續(xù)導(dǎo)出堆芯的衰變熱。

2.2 主泵電機(jī)

每臺主泵帶有一臺6.7MWe的感應(yīng)電機(jī)。該感應(yīng)電機(jī)屬鼠籠式，靠空氣和水來冷卻。每臺電機(jī)有兩個徑向軸承和一個雙重作用的止推軸承，均用油潤滑。起動時，頂軸油系統(tǒng)就將高壓油輸送至止推軸承的兩側(cè)。頂軸油系統(tǒng)在主泵啟動和惰轉(zhuǎn)期間為泵提供潤滑。

2.3 主泵軸封系統(tǒng)

主熱傳輸系統(tǒng)中有四臺主泵，這四臺主泵正常都是在高溫高壓的環(huán)境下運(yùn)行，所以每臺主泵都設(shè)計了一套包括三道機(jī)械密封和一道備用密封的裝置防止冷卻劑泄漏，而當(dāng)主泵高速轉(zhuǎn)動時機(jī)械密封的各個部件之間會相互摩擦發(fā)熱，所以需要主泵軸封注入系統(tǒng)向主泵機(jī)械密封和軸承等部件連續(xù)注入干凈、低溫的冷卻水進(jìn)行冷卻和潤滑來防止這些設(shè)備的損壞。

3 主泵軸封回流溫度升高現(xiàn)象及可能原因分析

3.1 主泵軸封回流溫度升高現(xiàn)象

2014年8月8日，某機(jī)組1#主泵軸封回流水溫度在40分鐘左右的時間從61.2攝氏度逐漸上升到近67攝氏度，隨后溫度有所下降并緩慢波動。在7月30日也發(fā)生過類似波動，在軸封回流水溫度波動期間，三級密封的壓差也發(fā)生波動，但泵的其他參數(shù)均保持原有狀態(tài)，沒有明顯改變。

根據(jù)主熱傳輸系統(tǒng)運(yùn)行手冊98-33000-OM-001規(guī)定：主泵軸封冷卻水出口溫度高報警值為80攝氏度，當(dāng)溫度達(dá)到93攝氏度，且滿足下列1）或2）條件之一，就需要停堆、停泵并對主熱傳輸系統(tǒng)進(jìn)行降壓冷卻。

1）下列參數(shù)中的任意一個同時出現(xiàn)惡化趨勢：

主泵各級密封腔室壓力

主泵軸封注入流量

主泵軸封回流溫度

主泵電機(jī)上/下軸承殼振

主泵X/Y向軸位移

主泵軸承殼振

2）確認(rèn)不是儀表故障。

因此，雖然1#主泵的軸封回流溫度距離報警值乃至停泵值仍有較大裕量，但是仍然應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)視避免參數(shù)突然惡化，甚至導(dǎo)致停泵、停堆的后果。

3.2 主泵軸封回流溫度升高可能原因分析

3.2.1 機(jī)械密封故障

機(jī)械密封故障產(chǎn)生的主要原因有：由于高壓差存在，造成磨損；由于注入水中顆粒的存在，造成磨損；由于高溫或瞬態(tài)高溫的存在，造成磨損和變形。

第一級或第二級機(jī)械密封失效：當(dāng)主泵第一級或第二級密封前后壓差低于1MPa超過1分鐘且該主泵剩余兩級密封前后壓差同步上升且大于4.2MPa時，可以判定為第一級或第二級機(jī)械密封失效。這種工況下可以保持主泵繼續(xù)運(yùn)行，但由于另兩道完好的機(jī)械密封的壓差和承受的載荷增大，發(fā)生故障的概率也相應(yīng)增大，所以需密切地監(jiān)視另外2道機(jī)械密封的運(yùn)行狀況。如果另外兩道機(jī)械密封也出現(xiàn)惡化，則需盡快手動觸發(fā)停堆，停運(yùn)出現(xiàn)故障的主泵并將機(jī)組置于冷態(tài)卸壓狀態(tài)。

第三級機(jī)械密封失效：當(dāng)主泵第三級密封前后壓差低于1MPa超過1分鐘且該主泵第一級和第二級密封前后壓差同步上升且大于4.2MPa時，可以判定為第三道機(jī)械密封失效。由于第三級密封失效后，重水往重水收集系統(tǒng)的泄漏將會大幅度增加，并會有少部分重水會泄漏到外界，這時需降功率，將機(jī)組置于冷態(tài)卸壓狀態(tài)。

兩道機(jī)械密封失效：當(dāng)主泵有兩道機(jī)械密封的前后壓差小于1MPa超過1分鐘且另一道密封前后壓差大于7.5MPa時，可以判定為該主泵有兩道機(jī)械密封同時失效。這種工況下剩下完好的那道機(jī)械密封幾乎獨(dú)自承受整個系統(tǒng)的壓降，盡管在設(shè)計上每一級機(jī)械密封都可以承受全壓，但故障的概率大大增加了。為了防止最后一道機(jī)械密封受損，發(fā)生小LOCA事故，所以需盡快手動觸發(fā)停堆，停運(yùn)出現(xiàn)故障的主泵并將機(jī)組置于冷態(tài)卸壓狀態(tài)。

三道機(jī)械密封同時失效：當(dāng)主泵的三道機(jī)械密封的前后壓差都小于1MPa超過1分鐘時，可判定為該主泵三道機(jī)械密封同時失效。這種工況下密封冷卻水流將旁通第一、第二、第三道壓力分配環(huán)管，而直接進(jìn)入備用機(jī)械密封內(nèi)，備用密封所承受的壓力接近于整個熱傳輸系統(tǒng)的壓力。由于備用機(jī)械密封不是完全防漏的，所以部分重水可能會泄漏和蒸發(fā)出來，而備用機(jī)械密封也一旦失效，會有大量重水流到廠房內(nèi)，相當(dāng)于主系統(tǒng)的LOCA事故。這時需盡快手動觸發(fā)停堆，停運(yùn)出現(xiàn)故障的主泵并將機(jī)組置于冷態(tài)卸壓狀態(tài)。

3.2.2 軸封注入流量降低或失去

如果正常軸封注入流失去，系統(tǒng)本身就會轉(zhuǎn)入備用注入狀態(tài)。主泵運(yùn)行時來自熱傳輸系統(tǒng)的備用軸封注入流先進(jìn)入機(jī)械密封冷卻器進(jìn)行冷卻，然后到在流過三道密封返回到重水儲存箱。

如果正常軸封注入失去，則主熱傳輸泵靠備用軸封注水系統(tǒng)的運(yùn)行時間最多只能24小時，以避免泵的機(jī)械密封發(fā)生故障。因為此時備用軸封注入流直接來自主熱傳輸系統(tǒng)，沒有經(jīng)過過濾器過濾，水中的固體微粒會累積在機(jī)械密封內(nèi)。這些固體微粒有可能損傷機(jī)械密封。

3.2.3 失去冷卻水

失去循環(huán)冷卻水將導(dǎo)致正常軸封注入水失去冷卻。雖然當(dāng)主泵運(yùn)行時，由于泵輔助葉輪和軸承對軸封水流的摩擦加熱作用，機(jī)械密封的溫度會緩慢升高，但由于來自上充泵出口的軸封注入水溫度僅為40℃左右，所以在短時間內(nèi)軸封入口混合流的溫度一般不會超過93℃的停泵溫度限值。

如果60分鐘以后，再循環(huán)冷卻水系統(tǒng)仍無法恢復(fù)對軸封冷卻器的冷卻，則必須停堆停機(jī)，并立即停運(yùn)受影響的那臺主泵和另一環(huán)路上相對應(yīng)的一臺主泵。

3.2.4 溫控回路故障

由于儀表故障導(dǎo)致溫度輸出波動的虛假信號。但是儀控回路全面檢查標(biāo)定需要停泵，因此只能利用大修或者小修期間對溫控回路進(jìn)行全面的檢查標(biāo)定。但是從溫度曲線變化及歷史檢修情況判斷，該溫控回路顯示的溫度應(yīng)該是正常的。

4 外部經(jīng)驗反饋

1）2008年8月26日，某國外核電站一號主泵因機(jī)械密封回流水溫度高，且同時出現(xiàn)密封壓力大幅度波動并觸發(fā)壓力報警而停運(yùn)該泵。其密封水回流溫度為63攝氏度，密封壓力最高達(dá)到5.5MPa。該機(jī)械密封的運(yùn)行時間遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命，分析認(rèn)為是機(jī)械密封內(nèi)有雜質(zhì)進(jìn)入，導(dǎo)致密封面磨損并引發(fā)密封泄漏失效。

2）1994年12月20日，國外某核電站的P9/P10號主泵，因機(jī)械密封回流水溫度高而停運(yùn)。P10的機(jī)械密封回流水溫度達(dá)60攝氏度以上，同時機(jī)械密封壓力出現(xiàn)了劇烈波動。最后停堆更換機(jī)械密封消除缺陷。

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