主熱傳輸泵軸封失效診斷與響應(yīng)

張曉暉　秦川　王寧寧

張曉暉 秦川 王寧寧

中核核電運行管理有限公司 浙江 嘉興 314300

摘要：主熱傳輸泵運行在主熱傳輸系統(tǒng)高溫、高壓的環(huán)境下，主熱傳輸泵軸封性能的好壞將直接影響主熱傳輸泵是否可以維持運行，甚至可能導(dǎo)致發(fā)生重水泄漏的嚴(yán)重后果。本論文從主熱傳輸泵軸封的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，基于實際事故工況下的參數(shù)變化和系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)，分析發(fā)生的主熱傳輸泵機械密封失效故障工況的機理和現(xiàn)象、以及故障可能導(dǎo)致的后果，并給出響應(yīng)方案。

關(guān)鍵詞 主泵軸封;失效;診斷;響應(yīng)

Failure Diagnosis and Response of Main Heat Transfer Pump Shaft Seal

ZHANG Xiaohui QIN Chuan WANG Ningning

（CNNC Nuclear Power Operations Management Co.Ltd， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China ）

Abstract： The main heat transfer pump operates in the high temperature and high pressure environment of the main heat transfer system. The performance of the shaft seal of the main heat transfer pump will directly affect whether the main heat transfer pump can maintain its operation， and may even lead to serious consequences of heavy water leakage. Based on the structural characteristics of the shaft seal of the main heat transfer pump， this paper analyzes the mechanism and phenomenon of the failure of the mechanical seal of the main heat transfer pump， and the possible consequences of the failure， and gives the response scheme.

Key Words： Main pump shaft seal; Failure; Diagnosis; Response

概述

秦山第三核電廠是從加拿大引進(jìn)的CANDU-6型核電廠，是采用重水作為慢化劑和冷卻劑的天然鈾反應(yīng)堆。正常運行時，依靠主熱傳輸泵運轉(zhuǎn)所提供的驅(qū)動壓頭來維持冷卻劑的循環(huán)流量，從而為堆芯燃料提供冷卻，同時將燃料裂變產(chǎn)生的熱能帶到蒸汽發(fā)生器并傳給二次側(cè)的輕水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電^[1]。主熱傳輸泵（以下簡稱主泵）是單級單吸雙排立式離心泵，由一臺額定功率為6.7MWe的鼠籠感應(yīng)電機驅(qū)動，設(shè)計流量2227.59 l/s，揚程215 m，轉(zhuǎn)速1500 rpm，工作壓力9.5-11MPa，工作溫度260℃，泵體內(nèi)僅有一組水潤滑導(dǎo)軸承。密封形式為三級機械密封帶后備密封，型號 Sulzer Bingham RV850，每一道機械密封包含一個動環(huán)和一個靜環(huán)，每兩個動靜環(huán)部件之間會相互摩擦發(fā)熱，需要流量恒定的冷卻水連續(xù)對其進(jìn)行冷卻^[2]。

主泵軸封主要結(jié)構(gòu)介紹

在主泵大軸上，由下到上有泵主葉輪、軸套、軸承、輔助葉輪、軸封組件等，然后通過聯(lián)軸器與主泵電機軸相連接。其中，實現(xiàn)密封功能的是一套安裝在軸封腔內(nèi)的軸封組件，它是一套預(yù)先組裝好的整體組件，可以整體拆裝。軸封組件包括有備用密封、3道機械密封、減壓盤管等主要零部件。

輔助葉輪

輔助葉輪由一個無頭螺桿構(gòu)成，安裝在軸承上方的泵軸上。輔助葉輪的作用是當(dāng)泵運轉(zhuǎn)時形成向下的強迫循環(huán)流量，為軸承提供冷卻和潤滑，同時保證高溫高壓的冷卻劑不會直接沿泵軸向上流動，進(jìn)入機械密封腔和機械密封而導(dǎo)致密封損壞。

機械密封

每臺主泵有3道機械密封，它們串聯(lián)排列在主泵大軸的軸套上。

每道機械密封包括一個靜環(huán)和一個動環(huán)，動環(huán)依靠彈簧沿軸向的作用力與靜環(huán)緊密貼合在一起，從而起到密封功能阻止泄漏。在主泵運行時，依靠軸封注入流的正常供給，靜環(huán)和動環(huán)之間形成高壓液膜，以保證潤滑和冷卻。靜環(huán)和密封腔之間安裝有兩道“O”型圈密封，以阻止軸封注入流旁通減壓盤管直接泄漏到下一級密封腔。設(shè)計上，三道機械密封平均承擔(dān)主熱傳輸系統(tǒng)壓力，但是在異常工況下（如機械密封發(fā)生失效），每道機械密封能承受整個主熱傳輸系統(tǒng)的壓力^[3]。

備用密封

在第三級機械密封后面，安裝有一道備用密封。備用密封由互相連鎖的碳組件構(gòu)成，這些組件沿軸向向上由彈簧支撐，然后被壓蓋固定。備用密封設(shè)計上能承受整個主熱傳輸系統(tǒng)的壓力，并在發(fā)生三道機械密封失效的異常工況下，在主泵停運后能減少冷卻劑泄漏。

密封腔和減壓盤管

在每道機械密封前各有一個密封腔，主泵軸封注入的冷卻水一部分向下通過輔助葉輪后形成循環(huán)和進(jìn)入主熱傳輸系統(tǒng)，另一部分流量向上依次通過三道密封腔后，再通過軸封回流閥（3334-PV5～8）返回重水儲存箱（3333-TK1）。在前后級密封腔之間通過減壓盤管降壓，三道盤管平均分配主熱傳輸系統(tǒng)的壓力到三個密封腔內(nèi)，使三道機械密封平均分擔(dān)壓力。

軸封回流閥3334-PV5～PV8

軸封回流閥是一種氣動截止閥，帶有波紋管閥桿密封。當(dāng)主泵運行時，軸封回流閥是打開的，軸封冷卻水依次冷卻三道機械密封后返回重水儲存箱;當(dāng)主泵停止運行，大約延遲一分鐘后，軸封回流閥降自動關(guān)閉。在主泵電機斷路器斷開一分鐘以后，軸封回流閥自動關(guān)閉。^[4]

機械密封失效事件診斷及響應(yīng)

事件描述

2014年6月14日晚21時左右，秦三廠1號機組3#主泵機械密封回流水溫度出現(xiàn)波動，從60℃上升到最高79℃，同時伴隨著機械密封三級壓差的同步波動，波動幅度在0.3MPa左右。且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該泵機械密封引漏管線內(nèi)的流量增大^[5]。2014年6月15日零時該泵的第三級機械密封壓差從正常的3.3MPa左右突然降低至0.8MPa左右，據(jù)此確認(rèn)該泵第三級機械密封失效，隨后根據(jù)運行規(guī)程執(zhí)行停堆、停泵操作。2014年6月17日1號更換了失效的機械密封。系統(tǒng)恢復(fù)后，機組重新啟動，3#主泵機械密封以及其他運行參數(shù)全部恢復(fù)正常水平^[6]。

事件診斷

主控人員檢查主泵軸封參數(shù)發(fā)現(xiàn)3#主泵三級機械密封壓差出現(xiàn)小幅連續(xù)波動，機械密封回流水溫度在60℃與79℃之間波動，立即令現(xiàn)場操作人員檢查并持續(xù)監(jiān)視3#主泵機械密封引漏管線內(nèi)的泄漏流量，現(xiàn)場人員匯報3#主泵對應(yīng)引漏管流量增大，略帶壓力。主控人員根據(jù)機械密封失效工況機理和現(xiàn)象，初步判定3#主泵三級機械密封失效^[7]。

事件響應(yīng)

在觀測到3#主泵第三級機械密封壓差下從3.3MPa降到0.9MPa左右，第一、第二級機械密封壓差由3.0MPa上升到4.2MPa左右，確定3#主泵第三級機械密封失效，執(zhí)行停堆降功率操作，停運3#主泵，主系統(tǒng)降壓至200kPa，機組進(jìn)入非常低功率冷態(tài)泄壓模式4運行，之后主系統(tǒng)進(jìn)入低水位模式運行。^[8][9]維修人員對缺陷的3#主泵機械密封進(jìn)行了整體更換。系統(tǒng)恢復(fù)后，機組重新啟動，經(jīng)過檢查，更換后的3#主泵機械密封工作狀態(tài)正常，3#主泵各項參數(shù)穩(wěn)定，至此，3#主泵機械密封缺陷已經(jīng)確認(rèn)消除。

第三級機械密封失效發(fā)生前后3#主泵相關(guān)參數(shù)如圖3-1，機械密封回流水溫度（紫色曲線）波動伴隨著各級機械密封壓差的波動（綠色、藍(lán)色、黃色），最終機械密封第三級密封壓差下降到0.9MPa左右，確認(rèn)第三級機械密封失效^[10]。

（1）水中雜質(zhì)導(dǎo)致密封面損壞的可能性：

主熱傳輸系統(tǒng)水質(zhì)有嚴(yán)格的控制，主熱傳輸凈化系統(tǒng)裝備有5μm的過濾器，去除系統(tǒng)雜質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，主熱傳輸泵的軸封系統(tǒng)單獨配有5μm的過濾器，專門用于除去主泵軸封供水系統(tǒng)中的雜質(zhì)，以保證主泵機械密封長期穩(wěn)定運行。3#主泵失效前后，軸封過濾器壓差無波動，且軸封過濾器按正常周期進(jìn)行更換，不存在破損的可能^[11]。

（2）機械密封本身損壞的可能性：

大修啟動期間，根據(jù)預(yù)防性維修計劃更換了3#主泵的機械密封。為減少機械密封的正常泄漏量，3#主泵機械密封的密封彈簧壓縮量調(diào)節(jié)偏緊，導(dǎo)致系統(tǒng)升溫升壓期間該泵的機械密封回流水出現(xiàn)了高溫。機械密封動環(huán)在出現(xiàn)高溫時仍然被50攝氏度左右的密封冷卻水不斷冷卻，造成機械密封動環(huán)表面出現(xiàn)了龜裂。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整機械密封彈簧壓縮量后，3#主泵投入運行，其三級機械密封的密封壓差有一定波動，波動在兩天后消失，3#主泵機械密封各項參數(shù)均恢復(fù)正常^[12]。

結(jié)論

經(jīng)分析，本次事件中3#主泵第三級機械密封失效原因是由于系統(tǒng)多次啟停，加速了第三級機械密封缺陷動環(huán)表面龜裂的增加和擴展，并最終導(dǎo)致機械密封動環(huán)表面材料脫落，破壞機械密封動、靜環(huán)密封面，使得密封副喪失密封能力。加之，對動環(huán)材料的特性認(rèn)識不足，初次缺陷出現(xiàn)后未能識別內(nèi)在的可能缺陷，導(dǎo)致機械密封長期缺陷運行并最終失效。

通過此次事件，要進(jìn)行一下工作：1）對于主泵機械密封的性能狀況需要得到足夠的監(jiān)視和重視，當(dāng)發(fā)生失效時必須正確響應(yīng)防止故障惡化而可能造成的LOCA事故;2）應(yīng)用保守策略，在有效時間窗口安排機械密封的更換檢查。

參考文獻(xiàn)

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