基于M310核主泵停車密封的失效分析

陳錦裕，楊全超，王 佳，文 學(xué)，吳 明，林 淞，杜召瑞，李 宏，田 濤

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反應(yīng)堆冷卻泵（Reactor Coolant Pump）簡(jiǎn)稱核主泵[1]。隨著核電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，核主泵的運(yùn)維安全愈加得到各核電站的重視。反應(yīng)堆冷卻劑泵使冷卻劑通過(guò)反應(yīng)堆壓力容器，在冷卻劑環(huán)路中循環(huán)。作為冷卻劑、慢化劑和硼酸溶劑的水，通過(guò)堆芯時(shí)被加熱，然后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞給二回路系統(tǒng)，最后返回反應(yīng)堆冷卻劑泵，重復(fù)循環(huán)。M310核主泵在安裝調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏、軸瓦燒毀等故障[2]，嚴(yán)重影響著核主泵的正常運(yùn)行。

1 停車密封的工作原理

主泵停車密封是三級(jí)機(jī)械密封的后備密封，在泵運(yùn)行狀態(tài)下不投用，僅在三級(jí)機(jī)械密封失效時(shí)作為一回路壓力邊界實(shí)現(xiàn)密封。停車密封位于三級(jí)密封上部，在主泵停運(yùn)時(shí)，充氮?dú)獾酵＼嚸芊?，將可移?dòng)環(huán)向上頂起，可移動(dòng)環(huán)上O形圈與泵軸聯(lián)軸器密封，保持一回路密封性。在氮?dú)忉尫藕?，依靠停車密封彈簧?fù)位。停車密封氣囊的邊界由2個(gè)三元乙丙橡膠材質(zhì)的O形圈密封，密封形式如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)自密封作用，在安裝O形圈時(shí)應(yīng)使其有一定的壓縮變形量。當(dāng)槽壁的光潔度較高時(shí)，此變形量即使很?。?.1 mm左右）也能起自密封作用[3]。

2 停車密封失效分析

2.1 情況說(shuō)明

2017年6月，在一回路低水位（壓力為大氣壓）、主泵軸封未投運(yùn)的情況下，某核電站發(fā)現(xiàn)主泵停車密封投用后出現(xiàn)第三級(jí)密封壓力持續(xù)升高的情況。反復(fù)多次投切停車密封后，效果未改善（圖2）。

2.2 失效原因分析

查詢KDO（試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）趨勢(shì)線發(fā)現(xiàn)，該核主泵停車密封投運(yùn)后第三級(jí)密封最大壓力為0.6 MPa，與給停車密封供氣的壓力基本一致，而該時(shí)段一回路壓力為大氣壓。因此可基本判斷，該壓力來(lái)自停車密封氣囊。依據(jù)停車密封的氣囊密封邊界進(jìn)一步分析，初步懷疑O形圈63.2存在密封部分失效。在停車密封投用的情況下，只有當(dāng)O形圈（項(xiàng)號(hào)：63.2）失效時(shí)，氣囊中的氣體沿O形圈密封面泄漏進(jìn)入第三級(jí)機(jī)械密封。由于第三級(jí)機(jī)封的低壓泄漏隔離閥關(guān)閉，造成壓力上升，出現(xiàn)第三級(jí)密封后壓力上漲現(xiàn)象。

圖1 O形圈局部

圖2 3臺(tái)核主泵第三級(jí)密封后壓力隨停車密封投運(yùn)的變化趨勢(shì)

圖3 根本原因故障樹分析

2.2.1 O形圈缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈/不銹鋼平面配副發(fā)生摩擦氧化。研究表明O形圈/不銹鋼平面配副隨著位移幅值的增加，O形圈依次運(yùn)行于部分滑移區(qū)（Partial slip regime，PSR）、混合區(qū)（Mixed fretting regime，MFR）和滑移區(qū)（Slip regime，SR）。在 MFR 和SR 的磨損表面，O形圈發(fā)生了明顯摩擦氧化，導(dǎo)致密封失效。

②O形圈老化失效。O形圈的失效表現(xiàn)為裂紋的萌生與擴(kuò)展、表面剝落和點(diǎn)蝕以及局部的磨損。這些失效將導(dǎo)致密封失效。

③O形圈自身質(zhì)量不合格。O形圈自身質(zhì)量不合格、回彈性能不好，導(dǎo)致密封失效。

（2）問(wèn)題排查

該主泵停車密封于2016年9月完成組裝，O形圈（項(xiàng)號(hào)：63.2）材質(zhì)為三元乙丙橡膠，保質(zhì)期7 a。安裝后至2017年6月16日前，該主泵已完成機(jī)組冷試、熱試等相關(guān)試驗(yàn)，其間停車密封投切次數(shù)高達(dá)約30次（依據(jù)操作規(guī)程《主回路壓力低于2.9 MPa.g反應(yīng)堆冷卻劑泵的運(yùn)行規(guī)程 001 01》和《主回路壓力大于2.9 MPa.g反應(yīng)堆冷卻劑泵的運(yùn)行規(guī)程 001 02》：當(dāng)主泵停運(yùn)時(shí)間超過(guò)2 h時(shí)需投運(yùn)停車密封），期間未發(fā)生同類現(xiàn)象，且結(jié)合同時(shí)安裝的另外2臺(tái)核主泵也未發(fā)生過(guò)同類現(xiàn)象。依據(jù)同批次O形圈質(zhì)量基本相似的原理，基本可以排除該核主泵產(chǎn)生摩擦氧化、老化失效以及存在質(zhì)量不合格的可能。

2.2.2 O形圈接觸缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈圈槽缺陷。O形圈與圈槽接觸產(chǎn)生密封。當(dāng)圈槽上存在凹坑、劃痕及裂紋時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致O形圈與圈槽接觸不充分，導(dǎo)致密封失效。

②O形圈密封面缺陷。O形圈密封面產(chǎn)生凹坑、劃痕及裂紋時(shí)，O形圈與密封面接觸不充分，會(huì)導(dǎo)致密封失效（圖3）。

（2）問(wèn)題排查

經(jīng)查熱試期間及4RCP系統(tǒng)移交后的一段時(shí)間內(nèi)，多次投運(yùn)主泵停車密封未出現(xiàn)過(guò)三級(jí)密封壓力升高問(wèn)題。故可排除O形圈接觸缺陷。

2.2.3 雜質(zhì)影響

（1）原因分析

組裝過(guò)程中O形圈附近引入雜質(zhì)，O形圈移動(dòng)過(guò)程中雜質(zhì)進(jìn)入到密封面造成密封部分失效。當(dāng)停車密封供氣管線不干凈、RAZ（核島氮?dú)夥峙湎到y(tǒng)）供氣氣體存在雜質(zhì)時(shí)，在投運(yùn)停車密封時(shí)鐵銹等雜質(zhì)隨氣流進(jìn)入氮?dú)鈿饽?，并在重力作用下沉積在靠近O形圈63.2位置，在O形圈移動(dòng)過(guò)程中，雜質(zhì)進(jìn)入密封面，造成密封部分失效。

（2）問(wèn)題排查

①組裝過(guò)程引入雜質(zhì)。經(jīng)查在組裝期間，組裝人員嚴(yán)格按照《Preventing foreign matter work program for Fuqing U－nits3&4 RCP assembly in AC building》實(shí)施防異物管理。另外，該核主泵在安裝后依次經(jīng)歷了22.8/17.5 MPa一回路水壓試驗(yàn)以及冷試、熱試長(zhǎng)時(shí)間帶載運(yùn)行，期間多次投用停車密封，未出現(xiàn)三級(jí)密封壓力升高問(wèn)題。所以，可以排除組裝過(guò)程引入雜質(zhì)。

②系統(tǒng)安裝階段引入雜質(zhì)。系統(tǒng)安裝階段引入雜質(zhì)的途徑主要有2個(gè)：氣源含雜質(zhì)和管線含雜質(zhì)。經(jīng)查調(diào)試階段，該核主泵停車密封主要使用的氣源來(lái)自2路：RAZ氮?dú)庖约癝AR（壓縮空氣系統(tǒng)）儀用壓縮空氣。上述系統(tǒng)在引入氣源時(shí)均使用濾網(wǎng)過(guò)濾，因此基本排查氣源引入雜質(zhì)的可能性。因此初步判斷，導(dǎo)致停車密封失效的原因是管線銹蝕異物進(jìn)入停車密封，導(dǎo)致O形圈63.2密封部分失效。

圖4 停車密封吹掃流程

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

核主泵停車密封的供氣管線如下圖4所示。為了驗(yàn)證該管線是否銹蝕，對(duì)圖4流程圖中的粗線條進(jìn)行管線吹掃。在管線末端用白布擋住，使吹掃氣體經(jīng)白布過(guò)濾后排空。吹掃結(jié)果如圖5所示。

圖5 停車密封供氣管線吹掃情況

從圖5可以看出，吹掃出來(lái)的主要雜質(zhì)為鐵銹及部分臟水，可以判斷管線中存在水分銹蝕供氣管線。經(jīng)多次吹掃，待吹出氣體干凈無(wú)雜質(zhì)后，重新投運(yùn)該核主泵的停車密封。2017年6月，22日 15:54，23日 11:18，12:09和 18:15，25日 11:18和 19:18，30日11:18和14:25，4RCP003PO停車密封關(guān)限位正常觸發(fā)，停車密封投運(yùn)狀態(tài)正常。因此可以確定，導(dǎo)致停車密封失效的原因是管線中存在鐵銹等雜質(zhì)。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)造成核主泵停車密封失效的原因進(jìn)行分析及驗(yàn)證，得出造成該核主泵停車密封投運(yùn)后第三級(jí)密封壓力持續(xù)升高的直接原因是，管線銹蝕異物進(jìn)入停車密封導(dǎo)致O形圈63.2密封部分失效。主要原因是調(diào)試期間對(duì)供氣管線吹掃不充分，導(dǎo)致管道內(nèi)有水分或雜質(zhì)殘留。