主泵軸封注入系統(tǒng)風(fēng)險分析及處理措施

劉紅玉

【摘 要】主泵運(yùn)行在主熱傳輸系統(tǒng)高溫、高壓的環(huán)境下，因此每臺主泵都通過一套多級的軸封裝置對軸進(jìn)行密封，防止冷卻劑泄漏。同時需要持續(xù)注入干凈、低溫的冷卻水對軸封裝置進(jìn)行冷卻和潤滑以防止設(shè)備損壞，主泵軸封的性能將直接影響主泵的運(yùn)行，軸封失效極有可能導(dǎo)致冷卻劑泄漏，影響主系統(tǒng)壓力邊界的完整性，并造成放射性危害。本文從主泵軸封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，主要分析了可能發(fā)生的主泵軸封流量異常、冷卻異常、軸封回流閥意外關(guān)閉和機(jī)械密封失效等故障工況的現(xiàn)象以及可能導(dǎo)致的風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的處理措施。

【關(guān)鍵詞】主泵軸封系統(tǒng);故障;風(fēng)險;處理措施

中圖分類號： TH38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0125-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.046

0 概述

在主熱傳輸系統(tǒng)中有四臺主泵，它們是功率為9000馬力的大功率離心泵，位于蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆進(jìn)口集管之間，其主要作用是為冷卻劑提供循環(huán)動力。主泵為立式、單級、雙渦殼離心泵，有一個垂直的入口管和兩個出口管，其驅(qū)動電機(jī)功率為6.7MW，由四級電源供電。正常運(yùn)行工況下，主泵的入口壓力為9.42MPa，出口壓力為11.25MPa，流量為2228L/s。一回路通過主泵建立主系統(tǒng)的循環(huán)流動，把反應(yīng)堆堆芯中的熱量帶出。

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，所以需要有這樣一個系統(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，而主泵軸封注入系統(tǒng)就擔(dān)當(dāng)起這樣的功能（正常運(yùn)行時參數(shù)見附表1）。其具體的功能主要有：

★提供低溫、干凈的軸封注入流以冷卻和潤滑主泵軸密封和主泵軸承;

★當(dāng)正常軸封注入流失去時能提供備用注入流以保證充分的冷卻;

★當(dāng)主系統(tǒng)疏水或充水時加入氮?dú)夂吞峁┡艢獾氖侄?

軸封注入流來自上充泵出口的低溫重水，經(jīng)過軸封系統(tǒng)過濾器后分四路供給四臺主泵。進(jìn)入每臺主泵的軸封注入流分別經(jīng)過降壓盤管、軸封注入流量計、軸封熱交換器后又分成兩路，50%的注入流經(jīng)過主泵輔助葉輪、主泵軸承后進(jìn)入主泵泵腔后回到主系統(tǒng)，另50%的注入流分別通過3道主泵的機(jī)械密封和軸封回流閥后回到重水儲存箱中。

機(jī)械密封排氣和軸封過濾器分別與熱傳輸重水收集系統(tǒng)相連。其中機(jī)械密封通過排氣閥與熱傳輸重水收集系統(tǒng)連接，正常運(yùn)行時排氣閥是關(guān)閉的，在執(zhí)行主泵軸封系統(tǒng)充水放氣時要開啟這些閥門。另外，在軸封回流閥故障關(guān)閉時，可以通過打開這些機(jī)械密封放氣閥建立部分軸封流，防止軸封損壞。軸封過濾器與熱傳輸重水收集系統(tǒng)是通過軸封過濾器的疏水閥和排氣閥相連的，上述閥門正常運(yùn)行時是關(guān)閉的，在軸封過濾器疏水或充水時打開。

1 主要設(shè)備

主泵軸封系統(tǒng)主要由兩個100%的過濾器、四個軸密封腔室（每臺主泵各一個）、四個軸密封冷卻器、降壓盤管、流量計、四個軸封回流閥等設(shè)備組成，

2 主泵軸封系統(tǒng)的正常運(yùn)行工況

2.1 主泵運(yùn)行

主泵正常運(yùn)行時，軸封注入流來自上充泵的出口，經(jīng)過軸封過濾器過濾凈化之后，分成四個支路，分別供給四臺主泵的軸封系統(tǒng)。每個支路的軸封注入流，經(jīng)過一個降壓盤管，將壓力降至接近主系統(tǒng)壓力，然后來到軸封冷卻器的入口，與軸封再循環(huán)流一起進(jìn)入軸封冷卻器管側(cè)，由殼側(cè)的再循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。冷卻器出口的軸封流進(jìn)入軸腔，在輔助葉輪的作用下分成兩路：一路向上進(jìn)入各級機(jī)械密封腔室，對機(jī)械密封裝置進(jìn)行冷卻和潤滑;并通過減壓盤管平均分配壓力，使每級機(jī)械密封均承受約3.3MPa的壓差，然后經(jīng)軸封回流閥返回主系統(tǒng)重水儲存箱，這路流量約占冷卻器出口流量的3.3%。另一路流量向下流過輔助葉輪和軸承，在對輔助葉輪和軸承進(jìn)行冷卻和潤滑后又分成兩路，占冷卻器出口流量約93.3%的流量再循環(huán)至冷卻器入口與新的軸封注入流混合，其余3.3%的流量進(jìn)入泵腔。

因此正常運(yùn)行時，新的軸封注入流只需補(bǔ)充回流至重水儲存箱的流量和進(jìn)入主泵泵腔的流量損失即可，約占冷卻器出口軸封流量的6.6%。目前三期每臺主泵的軸封注入流約為0.2L/s左右，最低不能低于0.152L/s。

2.2 主泵停運(yùn)

主泵停運(yùn)后，軸封回流閥延時1分鐘關(guān)閉。主泵停運(yùn)后如果回流閥立即關(guān)閉，那么在主泵惰轉(zhuǎn)期間，由于回流喪失，第二、三級機(jī)械密封腔室內(nèi)的壓力將很快上升到與第一級機(jī)械密封腔室內(nèi)的壓力相同。第一、二級機(jī)械密封的前后壓差約為零，而第三級機(jī)械密封則要承受整個主系統(tǒng)的壓力，很容易造成第三級密封的損壞;另外由于軸封冷卻流無法進(jìn)入機(jī)械密封腔室，也會造成密封腔室溫度上升。主泵停下來后，若回流閥還保持開啟，就形成了從主泵泵腔到主系統(tǒng)重水儲存箱的通路。如果此時失去正常的軸封注入流，泵腔內(nèi)的高溫重水就會流入各級密封腔室，使機(jī)械密封損壞。

當(dāng)主泵停止轉(zhuǎn)動，軸封回流閥關(guān)閉后，輔助葉輪也隨之停止轉(zhuǎn)動，此時機(jī)械密封腔室內(nèi)處于滿水等壓狀態(tài)。由于主泵停轉(zhuǎn)后，密封腔室內(nèi)基本不會產(chǎn)生熱量，因此密封腔室的溫度保持不變;并且主系統(tǒng)壓力下降，第三級密封所要承受的壓差也比較小。輔助葉輪停轉(zhuǎn)之后軸封再循環(huán)流量喪失，軸封注入水全部向下進(jìn)入主泵泵腔。在這種狀態(tài)下，主系統(tǒng)可以保持熱態(tài)，并且可以啟動主泵。

3 主泵軸封系統(tǒng)的風(fēng)險分析及處理措施

3.1 軸封注入流流量異常

軸封注入流流量異常（主要指流量下降），將會影響軸封冷卻效果，使得對機(jī)械密封、導(dǎo)向軸承等設(shè)備的冷卻和潤滑能力變差，長期在此工況下運(yùn)行，將增加機(jī)械密封和軸承等部件失效損壞的概率，故應(yīng)該提高對軸封流量異常下降現(xiàn)象的警覺性。

主泵軸封過濾器的材質(zhì)為紙質(zhì)濾芯（設(shè)計最高承溫93度，最高承壓15.2MPa），當(dāng)高溫或高壓水進(jìn)入過濾器后，會造成濾芯損壞然后進(jìn)入軸封系統(tǒng)，堵塞機(jī)械密封入口處的降壓盤管，使得軸封流量降低。

▼主要處理措施有：如果投入運(yùn)行的過濾器壓差出現(xiàn)異常變化，則將過濾器切換至備用過濾器，密切監(jiān)視軸封流量，現(xiàn)場調(diào)節(jié)軸封流量調(diào)節(jié)閥，如果調(diào)節(jié)閥開到最大仍不能滿足流量要求，則執(zhí)行失去軸封注入流處理措施。

3.2 失去軸封注入流

主泵運(yùn)行時，當(dāng)正在運(yùn)行的上充泵跳泵而備用泵沒有及時啟動，就有可能發(fā)生失去軸封注入流的事故。失去軸封注入流后，流量計指示為零，并且軸封過濾器出口逆止閥關(guān)閉。此時，備用軸封注入流將啟動，來自主泵泵腔的主系統(tǒng)的重水向上為機(jī)械密封提供冷卻和潤滑。主要流程為，來自泵腔的流量在輔助葉輪的作用下，與再循環(huán)流量一起進(jìn)入軸封冷卻器，冷卻后進(jìn)入軸腔：一路向上對各級機(jī)械密封進(jìn)行冷卻和潤滑后回到主系統(tǒng)的重水儲存箱;另一路向下，流過輔助葉輪和導(dǎo)向軸承后，完全變成再循環(huán)流量，與來自泵腔的流量混合，又進(jìn)入軸封冷卻器。來自泵腔的流量只要補(bǔ)充回到重水儲存箱的這部分流量即可。

這種運(yùn)行模式下，主泵可以較長時間的運(yùn)行，但存在兩個問題，一是正常軸封注入流的溫度遠(yuǎn)低于泵腔的重水的溫度，因此軸封冷卻器的出口溫度會上升，但由于軸封注入流占總流量的比重較小，溫度上升幅度不大，在可接受的范圍。二是來自主泵泵腔的水沒有經(jīng)過軸封冷卻器的凈化，可能存在微小的固體顆粒，由于泵軸的轉(zhuǎn)速為1490rpm，并且機(jī)械密封要承受約3.3MPa的壓差，因此微小的顆粒雜質(zhì)也可能對機(jī)械密封造成損壞。

▼主要處理措施有：監(jiān)視軸封冷卻器的出口溫度，監(jiān)視各級機(jī)械密封腔室的壓力和各級機(jī)械密封的壓差，并且要盡快地恢復(fù)正常的軸封注入流。如果超過24小時軸封注入流仍然沒有恢復(fù)，為防止顆粒雜質(zhì)對機(jī)械密封造成過大的損害，要將反應(yīng)堆停堆，并且停運(yùn)主泵。

主泵停運(yùn)后如果失去軸封注入流，主系統(tǒng)的重水就會經(jīng)過主泵進(jìn)入機(jī)械密封腔室中，注入流量相當(dāng)于第三級機(jī)械密封后的引漏流量。但注入流量很小，并且主泵停運(yùn)后機(jī)械密封腔室內(nèi)不產(chǎn)生熱量，因此對機(jī)械密封腔室影響不大。此時主系統(tǒng)仍然可以保持熱態(tài)，但不建議啟動主泵。

3.3 失去RCW冷卻水

主泵運(yùn)行時，如果失去RCW冷卻水，軸封流量失去了主要的冷卻來源。雖然軸封注入流可以提供一部分冷卻，但軸封注入流量只占整個軸封流量的6.6%，無法完全帶走主泵運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量。因此會造成軸封冷卻器的出口溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械密封腔室和輔助葉輪以及主泵軸承的溫度上升。

▼主要處理措施有：嚴(yán)密監(jiān)視軸封冷卻器的出口溫度，防止其達(dá)到停泵值（93oC）;監(jiān)視主泵上推力軸承的溫度，當(dāng)上推力軸承溫度達(dá)到110oC時，主泵自動跳泵;監(jiān)視各級機(jī)械密封腔室的壓力和機(jī)械密封的壓差，防止溫度升高對機(jī)械密封造成損害;同時要盡快恢復(fù)RCW的冷卻，如果超過1小時RCW仍然沒有恢復(fù)，就要停堆停泵。

主泵停運(yùn)后如果失去RCW，雖然喪失了主要的冷卻來源，但主要的熱源也沒有了，因此軸封注入流已經(jīng)可以完全滿足冷卻要求。軸封注入流進(jìn)入軸腔后，向上的一路流過機(jī)械密封，對機(jī)械密封進(jìn)行冷卻后從第三級機(jī)械密封后的引漏管線流到3381系統(tǒng)中;向下的一路對輔助葉輪和軸承進(jìn)行冷卻后回到泵腔。這種工況下主系統(tǒng)可以保持熱態(tài)，但必須在恢復(fù)RCW后才能啟動主泵。

3.4 同時失去軸封注入流和RCW冷卻水

主泵運(yùn)行時，如果軸封注入流和RCW冷卻水同時失去，通過來自主泵泵腔的備用注入流建立注入流量。但是由于同時失去了正常注入流和RCW兩路冷卻流量，軸封冷卻器的出口溫度會很快上升，進(jìn)而機(jī)械密封腔室和主泵軸承的溫度也會很快上升。

▼主要處理措施有：嚴(yán)密監(jiān)視軸封冷卻器的出口溫度，防止其達(dá)到停泵值（93oC）;監(jiān)視主泵上推力軸承的溫度，當(dāng)上推力軸承溫度達(dá)到110oC時，主泵自動跳泵;監(jiān)視各級機(jī)械密封腔室的壓力和機(jī)械密封的壓差，防止溫度升高對機(jī)械密封造成損害;同時要盡快恢復(fù)軸封注入流和RCW冷卻水，如果超過15分鐘RCW仍然沒有恢復(fù)，就要停堆停泵。

4 結(jié)束語

主泵軸封系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是主泵穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，亦即機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提保障之一。如果主泵軸封系統(tǒng)出現(xiàn)異常，不僅可能對機(jī)械密封、主泵等設(shè)備造成損害，甚至有停堆停機(jī)的風(fēng)險，本文就主泵軸封注入系統(tǒng)的一些問題進(jìn)行了剖析，并提出了作者個人的處理建議，希望對機(jī)組的日常工作有所幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]CANDU-6核電廠系統(tǒng)與運(yùn)行-初級課堂培訓(xùn)教材，原子能出版社，2010年.

[2]CANDU-6核電廠系統(tǒng)與運(yùn)行-初級崗位培訓(xùn)教材，原子能出版社，2010年.