100型主泵靜壓密封全范圍實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

袁偉剛 張鵬 李樹濤

【摘 ?要】8英寸主泵流體靜壓軸封廣泛應(yīng)用于全球核電站100型及EPR主泵。主泵軸封系統(tǒng)為一回路動(dòng)態(tài)壓力邊界，其可靠性與機(jī)組安全息息相關(guān)。論文介紹的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要針對(duì)密封泄漏量影響因素的耦合作用分析、常規(guī)性能試驗(yàn)、故障工況模擬試驗(yàn)、極限工況等研究，指導(dǎo)機(jī)組實(shí)際故障模式的研判與評(píng)估，提高主泵軸封系統(tǒng)的安全可靠性。研究表明，100型主泵靜壓密封全范圍實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能夠滿足主泵軸封不同工況的模擬試驗(yàn)與性能需求。

【Abstract】Eight inch main pump hydrostatic shaft seals are widely used in nuclear power plant type 100 and EPR main pumps worldwide. The main pump shaft seal system is a primary dynamic pressure boundary whose reliability is closely related to unit safety. The test bench introduced in this paper is mainly aimed at the coupling effect analysis of influencing factors of seal leakage， conventional performance test， failure condition simulation test， limit condition and so on， to guide the research and evaluation of actual failure mode of the unit， and improve the safety and reliability of the main pump shaft seal system. The results show that the model 100 hydrostatic seal test bench can meet the simulation test and performance requirements of the main pump shaft seal under different working conditions.

【關(guān)鍵詞】主泵;軸密封;實(shí)驗(yàn)臺(tái)架;相似準(zhǔn)則

【Keywords】main pump; shaft seal; test bench; similarity criterion

【中圖分類號(hào)】TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2022）04-0184-04

1 引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵簡(jiǎn)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(dòng)冷卻劑在RCP系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，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(shí)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(dòng)設(shè)備，設(shè)計(jì)和建造安全級(jí)別高，在CPR1000堆型中主泵屬于RCC-P安全1級(jí)，RCC-M1級(jí)，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(zhǎng)期處于高壓差工況，并維持可控泄漏率，無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間至少達(dá)到20 000 h。主泵機(jī)械密封一旦失效，會(huì)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(huì)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(tái)的設(shè)計(jì)，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(cè)準(zhǔn)則與評(píng)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(tái)架數(shù)理模型

主泵密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)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?jī)x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(dòng)下置、軸向力平衡式的結(jié)構(gòu)形式，由于施工現(xiàn)場(chǎng)空間限制，電機(jī)無(wú)法集成在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架下方，電機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架軸之間采用皮帶輪傳動(dòng)。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(tái)架模型圖

第一，溫度對(duì)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(duì)溫度響應(yīng)的特性系數(shù)。

第二，壓力對(duì)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(duì)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(duì)密封泄漏的影響。主泵密封設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)密封錐角而言為收斂型，導(dǎo)致泄漏減少。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

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(dòng)近似于一維流動(dòng)。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(dòng)粘度和密封等隨工況變化均會(huì)發(fā)生變化，因此，必須考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)密封部分設(shè)計(jì)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(jì)，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(tái)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(jí)密封。一號(hào)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(hào)密封注入為普通除鹽水。試驗(yàn)臺(tái)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(tái)設(shè)計(jì)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。考慮轉(zhuǎn)子軸徑向力的影響設(shè)計(jì)了陪襯密封。密封注入溢流布置相位角度與現(xiàn)場(chǎng)一致，由柱塞泵給試驗(yàn)臺(tái)供軸封注入，實(shí)驗(yàn)前對(duì)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(tái)幾乎完全模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，與現(xiàn)場(chǎng)相似，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足研究需要。

3.2 臺(tái)架構(gòu)成設(shè)計(jì)

主泵密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)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(tái)架如圖3所示。由于試驗(yàn)臺(tái)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(duì)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。控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)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(tái)架系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 ?密封臺(tái)架設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2.1 密封系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)下置、軸向力平衡式的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上模擬了主泵軸封實(shí)際安裝使用情況。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jí)密封腔體、二級(jí)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(dòng)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(hào)密封、2號(hào)密封和3號(hào)密封。1號(hào)密封位于一級(jí)密封腔體內(nèi)側(cè)，2號(hào)密封位于二級(jí)密封腔內(nèi)側(cè)，3號(hào)密封位于二級(jí)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(dòng)環(huán)，傳動(dòng)環(huán)下方設(shè)計(jì)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(jì)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(tái)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(cè)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(duì)泵出口壓力進(jìn)行緩沖，減小壓力波動(dòng)，回路上設(shè)置壓力可設(shè)定的溢流閥，從而獲得對(duì)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(shí)，柱塞泵會(huì)出現(xiàn)抽空現(xiàn)象[2]，發(fā)生大的振動(dòng)，為此設(shè)計(jì)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(chǔ)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(huì)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(tái)的熱負(fù)荷及升降溫速率要求，配置1臺(tái)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(lái)控制冷水機(jī)在高回水溫度時(shí)也能正常運(yùn)行）全自動(dòng)溫度控制，安裝方便，整個(gè)制冷系統(tǒng)全自動(dòng)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(tái)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(bào)警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、實(shí)時(shí)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(shí)別、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報(bào)表打印、高級(jí)計(jì)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(gè)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(jí)別人員操作。操作站之間完全對(duì)等，互為備用，只要任意1臺(tái)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(lái)切換。操作員可通過鍵盤及光電鼠標(biāo)完成畫面切換、報(bào)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(chǎng)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(hào)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(tái)架載荷計(jì)算與配置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與鑒定，必須考慮轉(zhuǎn)動(dòng)部件受流體的軸向力、徑向力[3]，一面因軸彎曲、振動(dòng)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(tái)故障導(dǎo)致試驗(yàn)失敗甚至鑒定部件損壞。試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)載荷：軸承最大徑向載荷：Frmax=2 413.390 N;電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩：M驅(qū)動(dòng)max=95.5 Nm。

∑Fa=∑F2#介+∑F3#介-∑G-F2#彈-F3#彈=1 094 N

M驅(qū)動(dòng)=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(jì)算，實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)架的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證主泵密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(hào)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(tái)的密封出廠報(bào)告數(shù)據(jù)完全吻合。主泵密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)架具備密封翻新鑒定能力，滿足試驗(yàn)要求。另外，針對(duì)主泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)架升降溫速率、升壓速率進(jìn)行驗(yàn)證，均滿足設(shè)計(jì)要求，主泵密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)架滿足翻新密封鑒定及科研的需求。

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的該套主泵機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(guó)產(chǎn)化制造提供有力的基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)支持，同時(shí)保證主泵1/2/3號(hào)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(duì)主泵安全運(yùn)行帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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