核電廠氫氣密封油泵性能下降原因分析

邱 波，王玉彬，陳 松，李開盈，王 旭

（中核核電運(yùn)行管理有限公司技術(shù)二處，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山第二核電廠（以下簡稱秦二廠）發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)（GHE）的功能是向發(fā)電機(jī)軸封裝置連續(xù)不斷地提供密封油、以防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子鐵芯等部件冷卻介質(zhì)氫氣的泄漏，并阻止大氣中的污染物進(jìn)入氫氣中，以保持氫氣的純度。密封油依靠GHE 系統(tǒng)中的密封油泵提供。

秦二廠3 號機(jī)GHE 系統(tǒng)2015 年8 月份先后4 次出現(xiàn)密封油壓異常波動現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫后，GHE 系統(tǒng)空、氫側(cè)油壓出現(xiàn)明顯波動，波動一段時間后，氫側(cè)密封油壓突然從839 kPa 下降至710 kPa，而后空、氫側(cè)油壓擺動程度加劇。

GHE 系統(tǒng)空氫兩側(cè)密封油壓波動及氫側(cè)油壓大幅下降反復(fù)出現(xiàn)，會削弱GHE 系統(tǒng)密封功能，引起氫氣泄漏量增大，增加機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險。其次，氫側(cè)密封油壓突降，會使?jié)穸容^大的空側(cè)密封油向氫側(cè)泄漏，降低發(fā)電機(jī)的絕緣和防腐性能，GHE 系統(tǒng)的油壓波動對機(jī)組運(yùn)行構(gòu)成較大威脅。

秦二廠在后續(xù)大修中，對該問題進(jìn)行了分析和解決。

1 密封油泵

秦二廠3、4 號機(jī)組氫氣交流密封油泵為螺桿泵，采用的是黃山工業(yè)泵制造有限公司的HSNH80-46NZ型三螺桿泵（圖1），核心部件為一根主動螺桿，兩根從動螺桿，三者并排嚙合布置在襯套內(nèi)；襯套安裝在泵體中，兩端由后、前端蓋以及軸承、機(jī)封等零件組成。

圖1 HSNH80-46NZ型三螺桿泵結(jié)構(gòu)

當(dāng)主動螺桿在電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，螺桿螺旋槽周期性打開，吸入腔的容積增大，形成真空，介質(zhì)由吸入口被吸入螺旋槽內(nèi)，并被螺旋槽密封住，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)隨螺旋槽沿螺桿軸線向出口移動，最后介質(zhì)被排出泵外（圖2）。從吸入口到出口分成低壓區(qū)和高壓區(qū)，高壓區(qū)和低壓區(qū)靠襯套中部O 形圈分隔。為防止出口意外堵塞而超壓，泵體上部安裝一臺FAZ-01型安全閥，定值為1.17 MPa，可以通過調(diào)整螺釘來調(diào)節(jié)設(shè)定壓力。

圖2 三螺桿泵工作原理

2 密封油泵性能下降原因分析

2.1 性能試驗(yàn)

為查找泵性能下降原因，將泵從現(xiàn)場原樣拆下后進(jìn)行試驗(yàn)（圖3）。

圖3 泵性能試驗(yàn)

對泵不作任何變動，只調(diào)整泵本體安全閥調(diào)整螺釘不同伸出長度，對泵進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)和性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，其中序號1試驗(yàn)長度為現(xiàn)場未作改動長度。

表1 泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）設(shè)定的測試壓力值1，不同長度均可以達(dá)到，而且流量基本相同。

（2）設(shè)定的測試壓力值2，序號1 初始長度無法達(dá)到，且出口流量為0。

（3）設(shè)定的測試壓力值2，序號2、3、4 均可以達(dá)到，出口流量基本相同，但無法達(dá)到1.0 MPa 下的額定流量78.3 L/min。

在序號1 試驗(yàn)測試壓力值2 時，壓力達(dá)到0.9 MPa 后緩慢上升至極限值0.96 MPa，隨后壓力迅速回落至0.87 MPa，而序號2、3、4 試驗(yàn)?zāi)軌蚍€(wěn)定到達(dá)1.0 MPa，懷疑泵本體安全閥發(fā)生了動作。序號2、3、4 都達(dá)到了1.0 MPa 的壓力，且穩(wěn)定，此時安全閥定值應(yīng)該均大于1.0 MPa，未發(fā)生動作，但其流量卻仍然無法達(dá)到要求，說明除了安全閥產(chǎn)生動作的因素外，還存在其他的影響因素。

2.2 解體檢查

根據(jù)性能試驗(yàn)結(jié)果，懷疑泵的性能下降還有其他影響因素，決定對密封油泵進(jìn)行解體，解體后發(fā)現(xiàn)兩處異常。

2.2.1 墊片差異

機(jī)械密封冷卻油路密封墊與原廠密封墊不同，圖4a）為原廠墊片，圖4b）為電廠自制墊片?？梢钥闯觯瓘S墊片除螺栓孔外還有一處開孔，而現(xiàn)場自制墊片對開孔進(jìn)行了簡單豁口處理。

圖4 墊片對比

2.2.2 泵腔高低壓區(qū)分界O 形圈

從圖5 可以看出，拆下的O型圈老化變形嚴(yán)重，截面已變成方形。

圖5 失效O 形圈

2.2.3 差異項(xiàng)分析

根據(jù)螺桿泵的結(jié)構(gòu)將其簡化，如圖6 所示。螺桿泵運(yùn)行過程中，出口高壓腔處內(nèi)的高壓油一部分會通過主動轉(zhuǎn)子外徑與襯套間的縫隙流入軸承和機(jī)械密封所在腔區(qū)域，當(dāng)墊片存在豁口時，即圖中云線部分的密封作用失去，一部分油會由此處經(jīng)回油通道、回油管返回到入口低壓腔區(qū)，造成出口流量下降。同樣，機(jī)封腔泄壓閥同樣也會存在該問題，但在解體檢查中未發(fā)現(xiàn)異常。

圖6 HSNH80-46NZ型三螺桿泵簡化示意圖

高低壓區(qū)分界O 形圈作為高壓腔區(qū)和低壓腔區(qū)的分隔密封，如果失效，高壓腔油回流至低壓腔區(qū)，造成出口流量下降。

2.3 差異項(xiàng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證解體中發(fā)現(xiàn)的問題，將泵本體安全閥定值調(diào)整到原始1.17 MPa 后回裝，并更換泵上的機(jī)械密封冷卻油路密封墊及高低壓區(qū)分界O 形圈，再次進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示泵的流量有很大程度的好轉(zhuǎn)，1 MPa 額定壓力下流量穩(wěn)定在79 L/min，說明密封墊或O 形圈對性能產(chǎn)生影響。

2.3.1 墊片驗(yàn)證試驗(yàn)

將機(jī)械密封冷卻油路密封墊制成綠色墊片的大豁口，安裝新的分界O 形圈回裝后進(jìn)行了試驗(yàn)，測試結(jié)果顯示泵的流量符合要求，1 MPa 額定壓力下流量穩(wěn)定在79 L/min。

分析認(rèn)為墊片厚度僅為1mm 左右，豁口后形成的泄漏口造成的流量下降微小。因此，排除墊片影響，泵流量性能下降的另一個原因?yàn)镺 形密封圈失效造成。

2.3.2 失效O 形圈分析

失效O 形圈的尺寸為97.5 mm（內(nèi)徑）×3.55 mm（直徑），材質(zhì)為EPDM（三元乙丙）。而廠家推薦用的O 形圈尺寸為105 mm（外徑）×3.1 mm（直徑），材質(zhì)為丁晴橡膠。經(jīng)分析，現(xiàn)場用O 形圈的材質(zhì)和尺寸不適用于現(xiàn)場的泵。

材質(zhì)方面，三元乙丙（EPDM）為乙烯，丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物，具有較好的耐老化和耐腐蝕性，但其分子結(jié)構(gòu)決定了其易與礦物基油發(fā)生物理膨化，在礦物基油中穩(wěn)定性較差。而現(xiàn)場GHE 密封油牌號為美孚DTE 732 無鋅，屬于礦物基油。

尺寸方面，現(xiàn)場使用的O 形圈，尺寸為97.5 mm（內(nèi)徑）×3.55 mm（直徑），根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該O 形圈適用溝槽寬度b=4.8 mm，溝槽深度為t=2.9 mm 的O 形圈 槽，b、t 尺寸如圖7 所示。泵實(shí)際O 形圈槽尺寸為b=4.1 mm，t=2.4 mm?？梢姮F(xiàn)場使用的密封圈直徑偏大，將導(dǎo)致密封圈的壓縮量增大，進(jìn)一步加快了O 形圈的老化。根據(jù)槽深×1.2=O 形圈線徑，槽寬一般為線徑的1.3 倍計算，實(shí)際O 形圈槽適合的線徑應(yīng)為3.1 mm，與廠家提供的尺寸相符。

圖7 徑向密封的活塞密封溝槽

3 結(jié)論

通過以上的分析，發(fā)現(xiàn)此次密封油泵性能下降的根本原因是泵體泄壓閥定值偏離及泵腔高低壓分隔區(qū)O 形圈使用不當(dāng)。在對安全閥定值重新整定及更換原設(shè)計使用的O 形圈后，泵性能恢復(fù)，至今現(xiàn)場運(yùn)行近3 年未再發(fā)生過該缺陷。