100型主泵靜壓密封全范圍實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)計

袁偉剛，張鵬，李樹濤

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳 518124）

1 引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵簡稱主泵，是核電站最重要的設(shè)備之一，主泵的功能在于驅(qū)動冷卻劑在RCP 系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，連續(xù)不斷地把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水，同時確保有適當(dāng)流量的冷卻劑流經(jīng)堆芯，以維持偏離泡核沸騰比大于允許值，使反應(yīng)堆堆芯得以充分冷卻。

主泵作為核電站一回路系統(tǒng)中唯一的轉(zhuǎn)動設(shè)備，設(shè)計和建造安全級別高，在CPR1000 堆型中主泵屬于RCC-P 安全1 級，RCC-M1 級，其可靠性直接影響到反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。主泵可靠性提升技術(shù)核心在于密封邊界的可靠性，主泵機(jī)械密封是保證在電廠正常運(yùn)行期間從一回路系統(tǒng)沿主泵泵軸向安全殼空間環(huán)境的反應(yīng)堆冷卻劑泄漏量基本為零，要求其長期處于高壓差工況，并維持可控泄漏率，無故障運(yùn)行時間至少達(dá)到20 000 h。主泵機(jī)械密封一旦失效，會導(dǎo)致核電廠一回路的壓力邊界完整性喪失，泄漏率超過了補(bǔ)水系統(tǒng)的能力，則會導(dǎo)致潛在的小破口失水事故（SB-LOCA）發(fā)生，最終導(dǎo)致堆芯裸露熔化。

本文主要介紹主泵靜壓密封全范圍實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計，此實(shí)驗(yàn)臺架功能：密封翻新鑒定試驗(yàn)、密封極限工況試驗(yàn)、故障模式試驗(yàn)驗(yàn)證等科研項(xiàng)目，旨在對翻新備件進(jìn)行出廠試驗(yàn)鑒定，通過試驗(yàn)研究建立健全的密封監(jiān)測準(zhǔn)則與評估體系，提升主泵密封的可靠性，保證一回路邊界的安全可靠。

2 臺架數(shù)理模型

主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架由密封試驗(yàn)腔體、柱塞泵、水箱、制冷劑、DCS 系統(tǒng)、溫度壓力流量儀表等部分組成（見圖1），其中軸封系統(tǒng)采用立式、密封上置、驅(qū)動下置、軸向力平衡式的結(jié)構(gòu)形式，由于施工現(xiàn)場空間限制，電機(jī)無法集成在實(shí)驗(yàn)臺架下方，電機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺架軸之間采用皮帶輪傳動。密封室內(nèi)介質(zhì)的物理參數(shù)包括：壓力Pn、密封室溫度Tn、注入水溫度T、注入水流量Q、泄漏壓力、流量等。主泵靜壓軸封的泄漏量主要與壓差、注入水溫度、面板變形量等相關(guān)。

圖1 100型主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架模型圖

第一，溫度對密封泄漏量的影響。注入水溫度變化直接導(dǎo)致介質(zhì)黏度的變化，密封面板摩擦副之間的摩擦系數(shù)發(fā)生變化[1]，理論注入水溫度的變化與泄漏量成線性關(guān)系。

Q泄漏=k（T2-T1）

式中，T2-T1為注入水溫度的變化量；k為密封對溫度響應(yīng)的特性系數(shù)。

第二，壓力對密封泄漏量的影響。主泵密封泄漏量與壓差成正比關(guān)系，在密封面板通流面積恒定，若忽略輔助密封、密封變形等影響，壓差可以直接表現(xiàn)密封的節(jié)流密封能力，壓力對密封的影響系數(shù)應(yīng)恒定。

Q泄漏=k（P1-P2）

式中，P1為密封入口溫度；P2為密封出口溫度；k為密封受壓力響應(yīng)的特性系數(shù)。

第三，面板形變對密封泄漏的影響。主泵密封設(shè)計考慮事故工況的情形，需要密封高溫高壓介質(zhì)，高溫、高壓均可導(dǎo)致密封面板變形，通過試驗(yàn)及建模分析論證，溫度導(dǎo)致變形對密封錐角而言為發(fā)散型，導(dǎo)致泄漏增大，壓力導(dǎo)致變形對密封錐角而言為收斂型，導(dǎo)致泄漏減少。

3 實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)計

3.1 相似準(zhǔn)則

主泵軸封系統(tǒng)由三道串聯(lián)的軸封組成，第一道軸封是可控制泄漏的液膜密封，第二和第三道軸封是摩擦型密封，位于泵軸末端，它的作用是保證在電廠正常運(yùn)行期間從RCP 系統(tǒng)沿泵軸向安全殼的泄漏量基本為零。正常工況密封一回路高壓介質(zhì)，事故工況需要密封高壓高溫介質(zhì)。從工程的角度看，主泵密封腔體內(nèi)為水實(shí)體，可以認(rèn)為一回路密封冷卻水在密封腔體流動近似于一維流動。密封室內(nèi)介質(zhì)氣、水流速、流體微團(tuán)質(zhì)量力、流體壓強(qiáng)、流體運(yùn)動粘度和密封等隨工況變化均會發(fā)生變化，因此，必須考慮實(shí)驗(yàn)臺架與實(shí)際工況的相似性。

3.1.1 幾何相似

主泵靜壓密封實(shí)驗(yàn)臺密封部分設(shè)計與主泵實(shí)際密封系統(tǒng)一致，密封室如圖2所示，采用1:1 設(shè)計，密封腔體容積約60 L，密封裝配尺寸、注入角度、通流面積、幾何約束條件與主泵實(shí)際情況完全一致，因此，密封實(shí)驗(yàn)臺密封室、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征尺寸與實(shí)際完全一致。

圖2 100型主泵密封室結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 介質(zhì)相似

主泵軸封系統(tǒng)包含一、二、三級密封。一號密封由化容系統(tǒng)提供軸封注入水，注入水為一回路冷卻劑經(jīng)凈化回路凈化過濾后注入軸封系統(tǒng)，一回路介質(zhì)是加壓的輕水（普通水），三號密封注入為普通除鹽水。試驗(yàn)臺選用的試驗(yàn)介質(zhì)為去離子水，粘度、比熱、熱導(dǎo)率，與一回路介質(zhì)相似。

3.1.3 通流特征相似

試驗(yàn)臺設(shè)計轉(zhuǎn)速與主泵轉(zhuǎn)速相同，且具備模擬主泵墮轉(zhuǎn)工況的功能?？紤]轉(zhuǎn)子軸徑向力的影響設(shè)計了陪襯密封。密封注入溢流布置相位角度與現(xiàn)場一致，由柱塞泵給試驗(yàn)臺供軸封注入，實(shí)驗(yàn)前對密封腔室及管線進(jìn)行排氣，密封室可視為連續(xù)不可壓縮的水介質(zhì)流經(jīng)密封面，與密封的環(huán)境工況與實(shí)際相似，因此同流特征相似。

綜上，主泵密封全范圍試驗(yàn)臺幾乎完全模擬現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境，與現(xiàn)場相似，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足研究需要。

3.2 臺架構(gòu)成設(shè)計

主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)計主要包括密封系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、溫度壓力控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等輔助部件，所有系統(tǒng)已配合密封系統(tǒng)的需求而配置，實(shí)驗(yàn)臺架如圖3所示。由于試驗(yàn)臺密封水循環(huán)使用，凈化系統(tǒng)主要凈化密封介質(zhì)，防止軸封水惡化對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。制冷系統(tǒng)主要為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度及配合極限工況試驗(yàn)提供冷源?？刂葡到y(tǒng)采用DCS 系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集存檔。所有系統(tǒng)集成為一體形成密封實(shí)驗(yàn)臺架系統(tǒng)。試驗(yàn)臺具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 密封臺架設(shè)計參數(shù)表

3.2.1 密封系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺架的密封系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，其他為密封系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)。機(jī)械密封系統(tǒng)采用立式、密封上置、驅(qū)動下置、軸向力平衡式的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上模擬了主泵軸封實(shí)際安裝使用情況。該實(shí)驗(yàn)臺架包括底座、電機(jī)、主軸、試驗(yàn)軸套和密封腔體，底座上由下至上依次固定有一級密封腔體、二級密封腔體和保護(hù)腔。主軸的下端通過軸承組件固定在底座上，主軸的上端通過軸承組件固定在保護(hù)腔上，電機(jī)與主軸采用皮帶輪傳動連接，主軸上套裝固定安裝有試驗(yàn)軸套，試驗(yàn)軸套上由下至上依次安裝有1 號密封、2 號密封和3 號密封。1 號密封位于一級密封腔體內(nèi)側(cè)，2 號密封位于二級密封腔內(nèi)側(cè)，3 號密封位于二級密封腔體和保護(hù)腔之間。

試驗(yàn)軸套的下端抵緊在主軸的軸肩上，試驗(yàn)軸套的上端通過定位組件固定在主軸上，定位組件包括分瓣環(huán)、壓環(huán)、壓緊螺釘和彈性墊圈。試驗(yàn)軸套上端面安裝有傳動環(huán)，傳動環(huán)下方設(shè)計有密封軸套。

3.2.2 溫度、壓力控制系統(tǒng)

系統(tǒng)壓力、溫度調(diào)節(jié)設(shè)計主要由電加熱器和柱塞泵控制，系統(tǒng)有穩(wěn)壓器和安全閥。系統(tǒng)壓力由柱塞泵加壓，向?qū)嶒?yàn)臺架本體注入密封水，出水管線上設(shè)置有壓力變送器、壓力表，檢測出水壓力。柱塞泵出口設(shè)置有安全閥和溢流閥實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，設(shè)置蓄能器對泵出口壓力進(jìn)行緩沖，減小壓力波動，回路上設(shè)置壓力可設(shè)定的溢流閥，從而獲得對介質(zhì)泵送壓力的設(shè)定。泵出口安全閥壓力設(shè)定為22 MPa。電加熱罐模塊設(shè)置電加熱組件（見圖3），控制罐內(nèi)溫度，本系統(tǒng)有高溫工況，當(dāng)除鹽水溫度升高時，柱塞泵會出現(xiàn)抽空現(xiàn)象[2]，發(fā)生大的振動，為此設(shè)計了加壓管線，在電加熱罐中加入氮?dú)?，提高泵入口壓力，避免該現(xiàn)象發(fā)生。罐子上設(shè)置有注入水管線、回流管線、儲水管線、沖壓管線、安全閥、液位儀表等實(shí)現(xiàn)壓力溫度的控制。

圖3 電加熱組件及電加熱罐圖

3.2.3 制冷系統(tǒng)

回路運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生熱量，為控制密封軸封注入溫度恒定以及試驗(yàn)降溫等需求，必須配備制冷設(shè)備。根據(jù)試驗(yàn)臺的熱負(fù)荷及升降溫速率要求，配置1 臺32 kW 制冷機(jī)，如圖4所示，內(nèi)置不銹鋼水箱和不銹鋼泵（由于初始水溫比較高，所以冷水機(jī)需要用PCL 控制并且需要增加蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥、電子膨脹閥、噴液冷卻來控制冷水機(jī)在高回水溫度時也能正常運(yùn)行）全自動溫度控制，安裝方便，整個制冷系統(tǒng)全自動智能運(yùn)行。

圖4 30 kW 制冷功率風(fēng)冷冷水機(jī)圖

3.2.4 控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺架控制系統(tǒng)選用DCS 系統(tǒng)，系統(tǒng)示意及邏輯圖如圖5所示，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出（包括順序和間歇控制等）、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、實(shí)時數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、日志記錄、事故順序識別、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報表打印、高級計算（邏輯運(yùn)算、初等數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算）、先進(jìn)控制，以及所有這些信息的組態(tài)、調(diào)試、打印、診斷、系統(tǒng)下裝、在線、離線和增量下裝等功能。操作員站實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集及控制等功能，通過設(shè)置密碼限制不同級別人員操作。操作站之間完全對等，互為備用，只要任意1 臺操作員站正常，即可完成全功能操作。

圖5 DCS 控制系統(tǒng)示意及邏輯框圖

操作站集操作員站（從站）和工程師站（主站）使用為一體，相互通過權(quán)限密碼來切換。操作員可通過鍵盤及光電鼠標(biāo)完成畫面切換、報警顯示、彈出各種顯示窗口等操作。

控制站（主控單元、供電電源、網(wǎng)絡(luò)都按1∶1 冗余）是與生產(chǎn)線現(xiàn)場直接聯(lián)接的大規(guī)模的I/O 處理系統(tǒng)，具有參數(shù)的信號采集、回路調(diào)節(jié)，邏輯聯(lián)鎖、順序控制及本地操作功能。

4 臺架載荷計算與配置

實(shí)驗(yàn)臺架為動態(tài)試驗(yàn)與鑒定，必須考慮轉(zhuǎn)動部件受流體的軸向力、徑向力[3]，一面因軸彎曲、振動等因素造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，更應(yīng)該保證實(shí)驗(yàn)過程的安全可靠性，不能因試驗(yàn)臺故障導(dǎo)致試驗(yàn)失敗甚至鑒定部件損壞。試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程受力情況如圖6所示。

圖6 軸系載荷圖

軸系靜載荷：總重量∑G=4 937.195 N，向下，2#密封介質(zhì)力∑F2#介=5 914 N，向上；3#密封介質(zhì)力∑F3#介=562 N，向上；2#彈簧力F2#彈=247.2 N，向下；3#彈簧力F3#彈=197.6 N，向下；在電機(jī)最大可能負(fù)載15 kW 下，動載荷：軸承最大徑向載荷：Frmax=2 413.390 N；電機(jī)驅(qū)動力矩：M驅(qū)動max=95.5 Nm。

∑Fa=∑F2#介+∑F3#介-∑G-F2#彈-F3#彈=1 094 N

M驅(qū)動=M阻=∑M慣+∑M摩擦=95.5 Nm

根據(jù)轉(zhuǎn)子的軸向力和徑向力計算，實(shí)驗(yàn)臺架上部軸承選用單列圓柱滾子軸承，下部軸承選用雙列角接觸軸承。軸承選型與載荷如表2所示。

表2 軸承選型參數(shù)表

陪襯密封選型及所承受的載荷：陪襯密封選型QQE-E；所受載荷與1#密封相同，方向相反，軸向力相互抵消。

5 實(shí)驗(yàn)臺架的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用進(jìn)口備件機(jī)械密封進(jìn)行試驗(yàn)，執(zhí)行一號密封出廠低溫試驗(yàn)、低壓試驗(yàn)、變壓力試驗(yàn)、高壓試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與廠家權(quán)威實(shí)驗(yàn)臺的密封出廠報告數(shù)據(jù)完全吻合。主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架具備密封翻新鑒定能力，滿足試驗(yàn)要求。另外，針對主泵實(shí)驗(yàn)臺架升降溫速率、升壓速率進(jìn)行驗(yàn)證，均滿足設(shè)計要求，主泵密封實(shí)驗(yàn)臺架滿足翻新密封鑒定及科研的需求。

6 結(jié)語

設(shè)計的該套主泵機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺架系統(tǒng)提升了主泵機(jī)械密封自主研究能力，為后續(xù)主泵機(jī)械密封的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、機(jī)械密封的國產(chǎn)化制造提供有力的基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)支持，同時保證主泵1/2/3 號機(jī)械密封在翻新后的性能滿足使用要求，降低或消除密封翻新對主泵安全運(yùn)行帶來的潛在風(fēng)險。