某重水堆核電站主泵機械密封失效原因分析

陳志高

（中核檢修有限公司海鹽分公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

國內某重水堆核電站為2臺728 MW加拿大引進CANDU6型重水堆機組，每臺機組設計有4臺主泵，于2003年7月全部建成投產。主泵是由加拿大蘇爾壽泵廠（SPCAN）生產，型號為（16×16）×20×36 RV的立式、單級、雙蝸殼、葉片式離心泵，設計額定參數(shù)為：流量為2227.59 L/s，揚程215 m，轉速1500 r/min，介質為重水，電機銘牌功率為9000 HP（6619.488 kW），電壓等級11 000 V。該主泵葉片數(shù)為5，設計有1組水潤滑導軸承、1個垂直入口管及2個側向出口管。主泵電機由日本日立公司生產，上、下部軸承均采用油浴潤滑式滑動軸承的設計。其中，上部軸承由1組雙向推力軸承及1組導軸承組成，下部軸承由1組導軸承組成。電機與泵通過一段可拆短軸剛性連接。

主泵所配置的軸密封是由Sulzer Bingham公司設計并生產的型號為RV850的機械密封。該型號機械密封的設計形式為三級機械密封帶后備密封，并配置有軸封注入系統(tǒng)（向機械密封及泵導軸承提供低溫、干凈的軸封注入流，對其進行冷卻和潤滑）。該機械密封在極端工況下，每一級均設計為可承受系統(tǒng)全壓。機組正常功率運行工況下，機械密封的三級機械密封平均分擔系統(tǒng)壓力，各級密封壓降約為3.2 MPa（密封單級壓縮量不可調，各級密封壓降存在一些差異）。三級機械密封上部設計有一組備用密封，由上下2層的剖分式石墨環(huán)組成。備用密封不承壓，僅當?shù)谌墮C械密封失效時發(fā)揮作用。備用密封起效時，可使通過第三級密封泄露重水通過密封引漏管線流至重水收集系統(tǒng)[1]，防止重水大量噴濺至泵體外。

2014年6月15日，該重水堆1#機組3#主泵機械密封第三級密封發(fā)生失效故障，機組被迫進入非計劃停堆小修，經更換機械密封后重新投入運行。為了提高主泵機械密封運行的可靠性，需要對密封失效原因進行查找分析，并提出提高密封運行可靠性的解決方案。

1 主泵機械密封結構特點及工作原理

1.1 主泵密封結構形式

根據(jù)API682《離心泵和轉子泵密封系統(tǒng)標準》中的統(tǒng)一分類，該主泵機械密封為A型推環(huán)式[2]。密封為三級、內置、旋轉、平衡、接觸式推環(huán)機械密封：密封撓性元件為旋轉式，密封副為硬質合金碳化鎢（WC）動環(huán)對優(yōu)質抗皰疤石墨（C）靜環(huán)，輔助密封為三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）O形圈，彈性元件為每級圓周均勻分布20個圓柱形ASTM-A313彈簧，軸套、隔套、環(huán)座和其他金屬零件用316L不銹鋼制成。密封組裝時，三級密封在組裝工作臺上組裝成一個整體密封組件后裝入泵密封腔室。密封靜環(huán)固定于靜環(huán)座內，在主泵運行期間保持靜止狀態(tài)。密封動環(huán)則通過動環(huán)座、密封彈簧與動環(huán)彈簧座固定在密封軸套上，并在主泵運行期間隨著密封軸套一起高速旋轉。

1.2 流體動壓密封工作原理

機械密封又稱端面密封，是一種依靠彈性元件對動、靜環(huán)端面密封副的頂緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置[3]。自1885年英國第一個端面密封的專利出現(xiàn)以來，機械密封技術不斷發(fā)展創(chuàng)新，各種高參數(shù)（如高壓、高速、高溫、大直徑等）、高性能（如干運轉、零泄漏）和高水平（如高Pv值、大型剖分式）的機械密封大量研制。不種型式的機械密封工作原理大不相同。

該主泵機械密封是密封面微凸體接觸的機械密封，其成膜理論是熱流體動力楔理論[4]。根據(jù)俄羅斯學者格魯別也夫的研究，這種機械密封摩擦副由1對金屬環(huán)和石墨環(huán)組成。在金屬環(huán)密封面上具有深達幾微米的刮痕網絡，這是在磨削加工時形成的，可以認為石墨密封面是平滑的，因為它隨著金屬環(huán)磨合。假設這2個環(huán)的密封端面是由厚度為零點幾微米到一微米的液膜隔開，而刮痕間距為零點幾毫米。摩擦副的上面為金屬環(huán)，下面為石墨環(huán)，在壓差PS作用下，流體沿刮痕高速流過間隙，由于摩擦，高速流液體被加熱，同時加熱金屬表面，使之受熱膨脹。流體和金屬環(huán)表面的溫度沿運動方向逐漸升高，從而使金屬膨脹不均勻。由于受熱不均，在刮痕間的金屬表面具有傾斜度，即變形收斂性縫隙。此時，在金屬環(huán)表面產生流體動壓作用力。

2 密封故障失效過程及運維歷史

2.1 密封故障失效過程

2014年6月14日21時至24時，該電站1#機組3#主泵機械密封回流水溫度出現(xiàn)波動，從正常的60℃左右上升到最高79℃（報警80℃，停泵93℃），同時該泵機械密封的三級密封壓差也出現(xiàn)異常波動，幅度約0.3 MPa，且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該泵機械密封引漏管線內的泄漏流量增大。2014年6月15日0時，該泵的第三級機械密封壓差突然從3.3 MPa降低至約1.0 MPa，據(jù)此確認該泵第三級機械密封失效（圖1）。隨后根據(jù)運行規(guī)程執(zhí)行停堆、停泵操作，機組進入小修更換出現(xiàn)缺陷的主泵機械密封。

2.2 機械密封維修歷史和運行狀況調查

3#主泵歷次大修期間的維修記錄顯示，2011年12月30日至2011年12月31日（該機組停堆大修期間），根據(jù)主泵預維大綱的要求，檢修人員對3#主泵機械密封進行了預防性維修，對其零部件中密封環(huán)、密封彈簧以及O形圈等易損件均進行了更換，并將密封組件順利安裝就位。在2012年1月9日機組大修后啟動期間，3#主泵密封水回流溫度出現(xiàn)了隨系統(tǒng)壓力的上升（主系統(tǒng)壓力由7.0 MPa升至9.6 MPa的過程中）而快速升高的異常工況，其峰值曾一度到達97℃（圖2）。主泵運行維護手冊要求的主泵密封水回流溫度的停泵值為93℃，遂停止主泵運行。

停泵并系統(tǒng)卸壓后，檢修人員對3#主泵機械密封彈簧壓縮量進行了調整，將密封軸套位置下調了約0.8 mm，后再次啟動3#主泵，將其投入運行。3#主泵各級壓差的數(shù)據(jù)記錄如下圖3所示，泵的各級密封壓差在泵啟動后的初始階段有40 h的持續(xù)波動，而后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，直至下一次機組大修，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

2.3 106大修啟動期間4 d內的各級密封壓差

機械密封壓縮量調整方法：通過調整密封調節(jié)螺帽來調整密封軸套的提升高度，從而改變彈簧壓縮量。機械密封軸套調節(jié)螺帽與泵側靠背輪通過4顆螺栓聯(lián)接。在密封組裝工作臺上通過專用工具調整好密封壓縮量后，測量密封上軸套上凹槽下邊沿至后備密封壓蓋上表面之的的距離并記錄為Xd值；在密封組件整體裝入泵體后，通過調節(jié)螺母調整軸套的位置，并測定上述同樣位置的距離得到Xp值，并使得Xd和Xp盡可能接近，允許偏差不大于0.3 mm。

對機械密封檢修產生的組裝記錄進行調查，并詢問機械密封更換的工作負責人，了解到為了避免密封泄漏量偏大，機械密封組裝時設將密封彈簧壓縮量調整到偏上限值（要求5.08～6.10 mm），也就是說密封彈簧壓縮量調節(jié)過緊。同時，主系統(tǒng)升溫升壓過程中，系統(tǒng)壓力產生的上推力使主泵轉子部件整體上浮的位移量（約1 mm）將也加載到密封彈簧上，這都導致機械密封壓縮量進一步增大。過大的機械密封壓縮量使得機械密封動、靜環(huán)密封面壓力增大，摩擦力增加，摩擦副表面產生的熱量無法及時被密封水帶走，最終導致軸封回流溫度的不斷升高。

大修后對3#主泵密封的運行參數(shù)進行了長達一年多的跟蹤監(jiān)督，確認該泵包括機械密封在內的各項參數(shù)均長期保持穩(wěn)定，沒有特別異常，因此未安排在2014年3月至5月期間的107大修（密封整體更換工作）。

在3#主泵第三級密封失效前，該泵的各個參數(shù)均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況。3#主泵第三級密封從出現(xiàn)壓差波動到失效僅經歷了2 h左右，缺陷發(fā)展迅速（圖1）。

3 失效機械密封解體檢查分析

圖1 機械密封失效過程中運行參數(shù)的變化

圖2 106大修后啟動期間軸封回流溫度波動

圖3 3#主泵各級壓差的數(shù)據(jù)

通常失效原因最直觀、最重要的標志從目測檢查開始，一旦原因明確，有效解決辦法就明確了。如果征兆或跡象在拆卸時丟失，就無法追溯。為避免關鍵信息丟失，按照外部征兆檢查、拆卸前檢查、拆卸后檢查模式進行。

3.1 外部征兆檢查分析

該主泵機械密封失效前出現(xiàn)3種征兆：

（1）回流水溫度出現(xiàn)波動，從60℃上升到79℃（其他3臺運轉正常）。說明軸封冷卻水注入系統(tǒng)正常，密封端面出現(xiàn)異常溫度升高。

（2）三級密封壓差出現(xiàn)異常波動，幅度在0.3 MPa左右。說明密封端面接觸壓力和流體膜承載力處于異常狀態(tài)，很可能因為高溫而使液膜閃蒸或汽化，瞬時失去液膜，而新的低溫冷卻水又補充進來，重新形成液膜，使密封壓力處于跳躍中，這是密封副失效的早期征兆。

（3）泄漏量增大。無論是摩擦副打開、流體膜喪失或密封環(huán)損壞都能造成大量泄漏，此泄漏量可以排除O形圈失效影響。

3.2 拆卸前檢查分析

3#主泵機械密封失效期間，其余3臺運轉狀態(tài)正常，系統(tǒng)壓力、溫度無異常變化，因此可以排除系統(tǒng)因素影響；主熱傳輸系統(tǒng)水質有嚴格控制，主熱傳輸凈化系統(tǒng)備有5 μm的過濾器，去除系統(tǒng)雜質，在此基礎上，主泵的軸封系統(tǒng)還單獨配備了2 μm的過濾器，用于除去主泵軸封供水系統(tǒng)中的雜質，充分保證了主泵機械密封長期穩(wěn)定運行，3#主泵機械密封失效前后，軸封過濾器壓差無波動，因此可以排除軸封過濾器失效導致外部雜質進入機封的可能性。

主泵軸向振動高、軸位偏移大，帶動機械密封軸套上下微動，影響機械密封摩擦副瞬時液膜剛度。實時數(shù)據(jù)顯示，3#主泵機械密封失效前電機軸向振動、軸位移無異常升高，排除此影響。

3.3 拆卸后檢查

（1）密封面檢查。拆卸后，將三級密封副動、靜環(huán)集中放置，逐一檢查，發(fā)現(xiàn)第三級密封環(huán)存在損傷，其中動環(huán)表面明顯龜裂，靜環(huán)有嚴重的磨損和凹槽，密封面上有“唱片”條紋般的同心圓紋理（圖4）。

（2）輔助密封元件檢查。未發(fā)現(xiàn)O形圈老化、龜裂、變硬和失去彈性等現(xiàn)象。

（3）彈性元件檢查。主泵機械密封每級圓周均勻分布著20個小彈簧，解體后將60個小彈簧逐一檢查，未發(fā)現(xiàn)變形、失彈等現(xiàn)象。

（4）驅動件等金屬零件檢查。主泵機械密封驅動件、緊固件等金屬零件均為重復使用備件，此次拆卸中，未發(fā)現(xiàn)粘合、磨損、變形現(xiàn)象。此外，在環(huán)座、彈簧等處未發(fā)現(xiàn)雜質沉積，判斷動環(huán)在軸套上的浮動性良好。

4 密封環(huán)的深入檢查分析及結論

為查明密封環(huán)開裂的原因，對密封環(huán)進行了進一步的失效分析，主要包括失效樣品的外觀檢驗、宏觀尺寸測量、表面殘余應力分析、金相微觀組織觀察、斷口分析、掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察、能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析、顯微硬度測量、化學成分分析、模擬實驗等。根據(jù)檢驗結果，破損動環(huán)樣品均未發(fā)現(xiàn)異常，說明動環(huán)樣品在加工工藝上不存在明顯問題[4]。

4.1 密封失效機理分析

4.1.1 動、靜環(huán)磨損圖像分析

密封面的失效模式通常有以下類型：①密封面開啟失效；②密封副早期磨損；③密封干運轉；④密封面熱裂；⑤密封環(huán)皰痕；⑥液膜失穩(wěn)；⑦液膜破裂；⑧汽化等。每一種失效模式均可在密封面上留下獨特的磨損圖像，通過分析磨損圖像可以判斷失效模式[5]。檢查密封動環(huán)面呈現(xiàn)360°表面龜裂，這是典型的密封面熱裂；靜環(huán)嚴重磨損和凹槽，密封面上有“唱片”條紋般的同心圓紋理，這也是典型的過熱癥狀，并且存在干摩擦和磨料磨損存在。因此，初步判斷此次密封面失效是因高溫引起的密封面熱裂和劇烈磨損。

4.1.2 動環(huán)熱裂原理

通常機械密封密封面由于流體作用力增大，間隙減小，會使密封副因密封面微凸體開始接觸而溫度升高或其他原因而開始發(fā)生干摩擦。此外，大多數(shù)密封在開、停車時短暫地發(fā)生半開摩擦或干摩擦，此時會使摩擦系數(shù)增大，磨損加劇，導致熱裂[6]。

由于溫度高，在環(huán)表面集中的接觸帶附近，產生很大的熱應力所造成的殘余應力。金屬材料在極高的殘余應力作用下形成熱裂。盡管熱應力是壓縮應力，但由于接觸運動而使熱應力釋放，就在表面形成殘余拉應力，出現(xiàn)較淺表面裂紋。

4.1.3 動環(huán)熱裂原因分析

密封面高溫會導致密封面熱裂，而密封面溫度取決于密封副的熱量及其分布。密封副的熱量由3方面組成：①摩擦副端面摩擦生成的摩擦熱；②旋轉元件與介質、沖洗流體因攪拌生成攪拌熱；③介質因工作溫度不同，帶有一定介質熱。此次主泵機械密封失效動環(huán)熱裂原因中可以排除攪拌熱和介質熱，因相同環(huán)境下其余3臺運轉正常，所以判定摩擦熱發(fā)生了變化。

由（1）式[6]可見，機械密封的端面摩擦熱QF主要取決于摩擦系數(shù)f和PCV。在摩擦系數(shù)不變的情況下，密封面載荷或PCV值過大，將會導致密封端面溫度過高而產生密封面熱裂。

目前，機械密封端面的設計計算有2種方法，即慣用的密封比壓PC或PV值為基礎的經驗計算法和全面考慮的P-V-T-h系統(tǒng)設計法，本文采用前者，基本公式為[6]：

由（2）式可以判定，在密封副面積比B、膜壓系數(shù)Km、系統(tǒng)壓力PS不變情況下，密封面比壓PC由彈簧比壓PSP影響。綜合式（1）和式（2），可知彈簧壓縮量的大小決定PCV值大小，影響密封端面的溫度。

4.1.4 密封失效機理分析

（1）裂紋萌生期。在大修啟動期間，由于機械密封的密封彈簧壓縮量調節(jié)過緊。同時，由于主泵的第三級密封擁有最小的允許浮動間隙，因此其首先承受了額外的壓力，導致第三級動環(huán)與靜環(huán)之間的摩擦增大，摩擦釋放出來的熱量造成了密封動環(huán)表面的溫度快速升高。同時，密封環(huán)周邊50℃左右的冷卻水依舊在不斷冷卻之中，這就使得密封動環(huán)與靜環(huán)接觸的摩擦面和與冷卻水接觸的外表面之間形成較高的溫度差。由于動環(huán)的主要材質為WC脆性材料，抗熱沖擊性能較差，故而在這個過程中，動環(huán)上表面沿徑向形成了大量的原始微裂紋，即形成了前文所述的線裂紋源。

此時，由于原始微裂紋剛剛形成，沿軸向的開裂程度還比較淺，故而動環(huán)的整體狀態(tài)并未被破壞，其功能依然保持良好。而靜環(huán)在初始的摩擦過程中，其整個表面都與動環(huán)表面直接接觸，并未發(fā)生磨料磨損，所以整體狀態(tài)也未被破壞，功能也保持良好。因此該級密封在密封彈簧壓縮量調整后，繼續(xù)運行期間并未出現(xiàn)長期的壓差波動現(xiàn)象，僅在調整后的2 d時間內出現(xiàn)了壓差波動，而后壓差即逐漸平穩(wěn)。

（2）裂紋擴展期。該機械密封在穩(wěn)定的參數(shù)下繼續(xù)運行了約兩年半時間，動環(huán)隨主軸一直高速旋轉。由于動環(huán)與主軸之間的同軸度始終存在著細微的差別，即動環(huán)始終處于一定交變應力的作用下，故而在運行期間，原始微裂紋不斷沿著軸向和徑向進行著疲勞擴展。隨著裂紋的不斷擴展，上表面相鄰線裂紋源之間發(fā)生了相互交叉（圖5）。位于交叉位置處的材料與基體之間的連接十分薄弱，隨時都有脫落的可能。

（3）最終失效期。動環(huán)密封面上的裂紋不斷擴展，裂紋交叉位置處的部分WC在動環(huán)高速運轉時，發(fā)生了脫落，這些脫落的WC顆粒充當磨料，立即引起密封動環(huán)和靜環(huán)之間以“磨料磨損”的形式發(fā)生劇烈摩擦。由于靜環(huán)的主要成分為石墨，硬度遠低于動環(huán)材料，所以其表面被迅速地磨削下去，造成靜環(huán)上的半圓形流體動壓槽貫通和動環(huán)上的流體動壓槽消失，大量的重水從其中流過，最終導致該級密封失效。

4.2 結論

（1）動環(huán)微裂紋產生原因：動環(huán)在摩擦熱和軸封冷卻水的作用下產生了大量微裂紋。

（2）機械密封失效原因：動環(huán)表面的微裂紋作為裂紋源，由于高速轉動，微裂紋不斷產生疲勞擴展，使得動環(huán)表面部分材料脫落，脫落顆粒充當磨料，迅速磨削靜環(huán)上表面，磨穿靜環(huán)的半圓形槽，致使該機械密封失效。

（3）破損動環(huán)和靜環(huán)加工制造過程、原始成分、微觀結構等都不存在明顯問題。

（4）在大修機械密封更換維修過程中，機械密封的彈簧壓縮量調節(jié)過緊，疊加系統(tǒng)升壓后泵轉子上移，使密封端面比壓過大，密封的PCV超過極限值，導致合金環(huán)密封工作面產生微裂紋。而此后有檢修窗口的大修又沒有及時安排對受損的密封進行檢查更換，最終導致密封在運行中突然失效。

圖5 動環(huán)上表面裂紋交叉處

5 結束語

密封壓縮量的調整是機械密封檢修中的關鍵步驟，確保密封的正確裝配與安裝。使機械密封處于設計規(guī)定的使用條件范圍并考慮運行工況變化對密封壓縮量的影響，是保證密封長期穩(wěn)定、可靠運轉的最基本條件。同時，對于核電廠重要關鍵設備中碳化鎢（WC）合金密封環(huán)，在運行過程中一旦承受過異常高溫，應及時安排檢查其損傷狀態(tài)，評估其狀態(tài)或及時更換，避免狀態(tài)惡化后突然失效造成更大的損失和安全風險。

通過3#主泵機械密封隨機故障失效原因查找和分析，梳理機械密封工作原理、故障檢查、失效模式，并對失效后的密封環(huán)作深入理化分析，提出密封安裝中的關鍵環(huán)節(jié)及運行維護中的關注問題，對核電站主泵檢修維護具有重要的參考價值。將此次事件及分析處理過程編制技術分析報告，并在重水堆業(yè)主聯(lián)合會（CANDU OWNERS GROUP，COG）作經驗反饋專題發(fā)布。