堆腔注水冷卻泵密封方案選擇和執(zhí)行管理

趙巍 張國翔

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674- 1145（2020）01- 101- 02

摘 要 密封系統(tǒng)是泵的重要組成部分。機械密封性能先進、密封可靠、壽命長，能有效的提高設備運行穩(wěn)定性，是核電站用泵最常用的密封型式。堆腔注水冷卻泵是我國自主研發(fā)的第三代核電站堆型華龍一號的新設備，本文將對機械密封的結構型式和常用的沖洗方案進行闡述分析，并根據(jù)堆腔注水冷卻泵的布置方案、運行工況確定選用單端面平衡型靜止式多彈簧內(nèi)裝機械密封，沖洗方案為PLAN11。

關鍵詞 堆腔注水冷卻泵 機械密封 沖洗方案。

華龍一號核電機組中的堆腔注水冷卻泵布置在核安全廠房標高-12.2米處，功能是在發(fā)生堆芯熔化的嚴重事故時，提供大流量的冷流體注入到反應堆壓力容器與保溫層之間，帶走堆芯熔融物的熱量，保持壓力容器的完整性。堆腔注水冷卻泵為立式、雙殼體、多級離心式結構，內(nèi)部組件為可整體從外筒體內(nèi)抽出的芯包。

機械密封是通過結構轉換，將軸與靜止部件的密封由徑向接觸轉換成軸向接觸。其優(yōu)點是：

1.二個接觸平面可以做得很精確。

2.平面磨損后，可以自動補償。

3.轉軸的跳動對平面影響較少，可維持很好的接觸。

4.平面易于加工，可選用很耐磨、很硬的材料。

5.可以精確控制二個平面的壓緊力。

因此其泄漏率遠比填料、浮環(huán)、迷宮等密封要少。

一、機械密封的分類

機械密封的結構通常由四部份組成：1.一對平面接觸的摩擦環(huán)。2.橡膠密封圈。3.保持密封面接觸的彈簧。4.結構、傳動件。但其結構形式有多種。以下對各種結構形式特點做簡單介紹：

（一）平衡式與非平衡式

密封處在壓力流體的包圍之中，除了外徑（或內(nèi)徑）受壓外，密封面的接觸壓力也與介質壓力有關，平衡式機封軸向兩側介質壓力可以相互抵消，因此介質壓力變化對密封面壓力影響很小，能夠降低密封面的磨損，延長壽命，但結構復雜，成本高； 非平衡式機封結構相對簡單，成本低。但密封面壓力受介質壓力影響較大。

（二）旋轉式與靜止式

按彈簧作用在動環(huán)還是靜環(huán)上，機封可分為旋轉式和靜止式，旋轉式結構簡單，尺寸小，但如果轉速較高其結構不穩(wěn)定。

（三）單彈簧式與多彈簧式

單彈簧式即一個彈簧繞軸安裝，較粗，耐腐蝕，但端面受力容易不均勻，軸徑較小時影響不大。多彈簧式即沿密封圓周裝有多個小彈簧，彈簧絲較細，耐腐蝕性差，端面受力均勻。

（四）單端面式與雙端面式

通常機封只有一對摩擦環(huán)，即單端面密封。但如果對介質泄露率有嚴格要求，如介質有毒害性，可增加一對摩擦環(huán)，即為雙端面密封。

（五）內(nèi)裝式與外裝式

機封彈簧通常安裝在介質內(nèi)部，稱為內(nèi)裝式。密封面可利用介質壓力，同時利用介質進行冷卻和潤滑。但如果介質有強腐蝕性、粘度高或者容易結晶，則可選擇將彈簧裝在介質外的結構，即外裝式機封，外裝式便于觀察和拆卸，但當介質壓力過高時，可能頂開密封端面，出現(xiàn)強烈泄漏，因此外裝式機封一般用于低壓、強腐蝕、高粘度和易結晶介質以及介質壓力較低的場合。

二、密封的沖洗方案

密封在運轉中產(chǎn)生摩檫功率，消耗的功率以熱的形式散出。

長時間運行會導致密封面溫度升高，增大磨損率，降低密封使用壽命。最好的辦法是通過沖洗密封面來降溫。

機械密封的沖洗方案有很多種，核電泵最常用的沖洗方案有以下幾種。

1.Plan 11

沖洗液從泵出口到達密封，液流進入密封腔室中鄰近密封面的地方，沖洗密封面，通過密封后返回進入泵中，這是大多數(shù)泵采用的方案，簡單、方便、效果好。

2.Plan21

沖洗液從泵出口經(jīng)過冷卻器到達密封面，此方案用于溫度稍高的介質，在給水泵密封、停堆泵密封中常用。

3.Plan31

沖洗液從泵出口經(jīng)過懸液分離器將清潔介質輸送到密封腔中，固體顆粒被送到泵吸入口。介質中固體顆粒較多時選用此種方案。

三、堆腔注水冷卻泵的密封選型

華龍一號的堆腔注水冷卻泵，是堆腔注水系統(tǒng)能動功能的主動設備，該泵為核電站新設備，是立式桶袋多級離心泵，設備設計參考了以往同類型泵設備（二代改進型核電站核二級安全殼噴淋泵及低壓安注泵）的基礎上，提高了介質溫度。

堆腔注水冷卻泵相關參數(shù)如下：

軸徑：100m m

轉速：1475r/m in

抽送介質：1.25%硼酸溶液或除鹽水

運行溫度范圍：5～156℃

1.25%硼酸溶液介質里面最大固體顆粒<1ppm；

除鹽水介質里面最大固體顆粒<0.1m g/kg；

吸入壓力：0.05～1.2MPa（g）；

NPSHr≤1m；

NPSHa≥2.21m

介質最高壓力1.2MPa，應選用平衡式機械密封。轉速1475r/ m in，軸徑100m m，線速度7.7m /s，可選用旋轉式機封，但考慮到運行穩(wěn)定性，靜止式機封更佳。軸徑中等，介質無強腐蝕性，顆粒濃度低，宜選用多彈簧式機封。介質無毒害，對泄露無嚴格要求，單端面密封可滿足需求。中壓，非強腐蝕易結晶介質采用內(nèi)裝式機封。因此結構形式應選用單端面平衡型靜止式多彈簧內(nèi)裝機械密封。

密封沖洗方案根據(jù)介質情況：高溫、雜質少，應選用PLAN21：

四、執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題

（一）機封冷卻器設計、制造資質問題

機封方案確定后，需配置冷卻器，但設冷水系統(tǒng)屬于核安全三級，冷卻器作為壓力邊界也應按RCC-M3級設計、制造和檢驗。且設計、制造單位應具有相應資質。

如采用核級冷卻器，國內(nèi)具有制造資質的廠家都無設計資質，且無此產(chǎn)品供貨經(jīng)驗。最終經(jīng)過多方調研談判，確定由兩家分別具備設計、制造資質的設計院和制造廠進行合作研發(fā)。但由于首次制造，質量、進度和商務均存在風險。

（二）機封冷卻水問題

隨著設計深入，明確該泵所在樓層不提供冷卻水，如機封帶冷卻器需從電機所在樓層引入冷卻水，對布置和冷卻水量將產(chǎn)生較大影響。建議采用耐高溫機封。

耐高溫機封主要難點在于動靜環(huán)材料選擇及端面處理技術，M310堆型中由于系統(tǒng)不提供冷卻水，安注、安噴、上充泵都采用了耐高溫機封，但介質最高溫度只有120℃。唯一運行溫度高于堆腔注水泵的余熱泵（180℃）機封采用的是帶換熱器方案。因此前期項目并無成熟產(chǎn)品。后經(jīng)調研發(fā)現(xiàn)K項目中壓安注泵國內(nèi)研發(fā)樣機已通過鑒定，該泵介質溫度160℃，且同樣采用無冷卻水耐高溫機封。中壓安注泵樣機配套機封通過了高溫耐久試驗。最終確定選用耐高溫機封，沖洗方案確定為PLAN11。

五、結語

華龍一號堆腔注水冷卻泵的機械密封方案選擇上，經(jīng)過了很長時間討論，尤其是沖洗方案的確定經(jīng)過了反復斟酌，全面考慮了該泵的運行工況和布置方案后最終選用PLAN11耐高溫型式密封。該泵機封方案選擇上的反復也反應出一些問題，主要原因為新堆型、新設備技術輸入存在不確定性，類似設備應可借鑒此泵經(jīng)驗確定機封方案。

參考文獻：

[1]陳德才，崔德容.機械密封設計制造與使用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[2]化工部設備設計中心站.機械密封新結構圖冊[M].上海：上海科學技術出版社，1990.