重水堆裝卸料機(jī)主軸密封失效原因分析及對策

江東飛

（中核霞浦核電有限公司維修處，福建寧德 355100）

0 引言

秦山三期重水堆的一大特點(diǎn)是不停堆換料，料倉組件是裝卸料機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，用于臨時(shí)貯存燃料、各類塞子和工具[1]。料倉主軸密封用來隔離料倉內(nèi)的高壓重水和料倉驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)的潤滑油。一旦主軸密封失效，會造成主軸驅(qū)動(dòng)力矩增大，料倉無法正常工作；同時(shí)導(dǎo)致油水混合收集箱3523-TK103 重水外溢，造成重水泄漏，裝卸料機(jī)無法正常換料，導(dǎo)致?lián)Q料計(jì)劃調(diào)整（圖1）。如果能解決料倉主軸密封泄漏失效問題，對降低運(yùn)行成本、減少維修工作量，確保裝卸料機(jī)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有著重要的意義。

圖1 主軸密封泄漏導(dǎo)致重水外溢

1 料倉主軸密封基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 料倉主軸密封基本結(jié)構(gòu)介紹

料倉主軸密封主要由四大部分組成（圖2）：①由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成的一對密封端面，是主軸密封的核心；②以彈簧為主的補(bǔ)償緩沖機(jī)構(gòu)；③輔助密封機(jī)構(gòu)；④傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2 料倉主軸密封結(jié)構(gòu)

1.2 料倉主軸密封工作原理介紹

裝卸料機(jī)料倉主軸密封屬于機(jī)械密封，機(jī)械密封亦稱端面密封[2]。料倉主軸密封安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，密封腔室中有螺釘、彈簧座、彈簧、動(dòng)環(huán)、動(dòng)環(huán)輔助密封圈等，它們跟隨軸旋轉(zhuǎn)，主軸密封的其他零件包括靜環(huán)、靜環(huán)輔助密封圈等，均安裝在密封組件壓蓋之內(nèi)，密封腔體與壓蓋用螺栓連接。軸通過螺釘、彈簧、彈簧座帶動(dòng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)由于防轉(zhuǎn)銷的作用靜止在壓蓋內(nèi)。動(dòng)環(huán)在彈簧彈力和流體壓力作用下，與靜環(huán)的端面緊緊貼合，且發(fā)生相對滑動(dòng)，有效阻止了流體沿端面的徑向泄漏，構(gòu)成了主軸密封的主密封。摩擦副磨損后，在彈簧和密封介質(zhì)壓力的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，始終保持兩密封端面的緊密貼合。

2 料倉主軸密封失效原因分析及對策

料倉主軸機(jī)械密封結(jié)構(gòu)主要是將易泄漏的軸向密封改為不易泄漏的端面密封。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，機(jī)械密封的泄漏80%～90%是由于密封面摩擦副造成的，因此對動(dòng)靜環(huán)接觸面的要求非常高。根據(jù)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和工作原理，機(jī)械密封發(fā)生失效的原因主要有以下5 個(gè)方面。

2.1 密封端面損傷造成的失效分析及對策

若密封端面損傷，則密封必然失效。密封面有異物是致使密封端面損傷的主要原因。異物顆粒進(jìn)入摩擦副端面起研磨劑作用，使密封面發(fā)生劇烈磨損而失效。同時(shí)密封面的異物降低了密封端面的平整度，密封端面的平整度越低，則密封端面的實(shí)際承載面積越小[3]。

原先對動(dòng)、靜環(huán)端面采用目視檢查，檢查效果不理想。目前，在料倉主軸密封解體檢修期間，采用光柵對拆下來的動(dòng)、靜環(huán)進(jìn)行平整度檢查，查詢維修手冊得知，要求密封端面平整度在1 道光柵范圍內(nèi)。如果平整度檢查不合格，則需領(lǐng)取新備件進(jìn)行更換。在組裝動(dòng)靜環(huán)前，檢查兩密封端面無異物。目前該要求已經(jīng)在維修規(guī)程中明確。

2.2 彈簧變形造成的失效分析及對策

動(dòng)環(huán)密封端面通過密封盤安裝在12 個(gè)彈簧上，彈簧變形會導(dǎo)致動(dòng)環(huán)傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致兩密封端面接觸不均勻，出現(xiàn)“偏口”現(xiàn)象，產(chǎn)生局部磨損，使機(jī)械密封泄漏。因此，為了防止密封端面出現(xiàn)“偏口”現(xiàn)象，每次檢修，都會測量彈簧的自由長度，根據(jù)國標(biāo)要求，該型號的彈簧自由長度偏差在±0.5 mm 以內(nèi)，目前該要求已經(jīng)在維修規(guī)程中明確。

2.3 主軸密封受力故障分析及對策

料倉主軸密封的軸向力由定位螺釘承受，如果定位螺釘未擰緊，機(jī)械密封失去預(yù)緊力，低壓下密封狀態(tài)變差，泄漏率增大。

2015 年7 月，在軸機(jī)械密封檢修過程中發(fā)現(xiàn)，固定機(jī)械密封動(dòng)環(huán)銅套的定位螺釘未擰緊，使高壓下?lián)跞Τ惺軝C(jī)械密封軸向受力。在料倉旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)之間的摩擦力由擋圈承受，造成墊片和擋圈摩擦，該摩擦力使擋圈從卡槽中脫出，阻礙了料倉的旋轉(zhuǎn)，造成料倉旋轉(zhuǎn)失效。由于定位螺釘未擰緊，機(jī)械密封失去預(yù)緊力，低壓下密封狀態(tài)變差，泄漏率增大，泄漏出的重水從釋放閥泄漏收集管線逆流到釋放閥排放管線，形成重水泄漏。定位螺釘未擰緊是造成本次料倉主軸密封泄漏的直接原因。

目前，維修規(guī)程中已明確該步驟：“在定位螺釘孔處做標(biāo)記，按照標(biāo)記對角擰緊定位螺釘，將襯套固定在料倉主軸上?！蓖瑫r(shí)該步驟增加了獨(dú)立驗(yàn)證，確保定位螺釘已擰緊到位。

2.4 輔助密封圈失效分析及對策

動(dòng)環(huán)輔助密封圈有效阻止了流體經(jīng)過動(dòng)環(huán)與軸間隙的泄漏，靜環(huán)輔助密封圈有效阻止了流體沿靜環(huán)與端蓋間隙的泄漏。運(yùn)行時(shí)，輔助密封圈沒有很明顯的相對運(yùn)動(dòng)，基本屬于靜密封。如果輔助密封圈失效，裝卸料機(jī)的重水會沿著主軸密封端蓋間的間隙泄漏。輔助密封圈失效形式主要有密封圈擠壓破壞和密封圈物理破壞等。

2.4.1 輔助密封圈擠壓破壞

密封圈密封屬于彈性擠壓密封的一種，是通過密封環(huán)提前被擠壓產(chǎn)生的彈性變形形成的預(yù)緊力，同時(shí)密封環(huán)也被工作介質(zhì)壓力擠壓，產(chǎn)生自緊力，即彈性擠壓密封屬于自緊密封。因此要保持密封，需要密封圈有足夠的預(yù)壓縮率；如果預(yù)壓縮率太大，可能會影響密封圈的工作壽命，因此密封圈的材料和密封圈與密封圈槽尺寸的匹配是延長密封圈使用壽命的必要條件。

2.4.1.1 輔助密封圈材料問題

密封圈在密封槽內(nèi)是保證密封的首要條件，如果密封圈跑出密封圈槽外，密封圈會在介質(zhì)壓力的作用下造成擠壓失效。在1#裝卸料機(jī)料倉主軸密封泄漏原因調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)支撐環(huán)被擠碎。該密封圈材料為石墨，受到擠壓后容易被損壞。由于石墨的支撐環(huán)被擠破后，動(dòng)環(huán)O 形圈會被擠壓到動(dòng)環(huán)與軸套的間隙中，長此以往，在介質(zhì)壓力作用下，最終導(dǎo)致動(dòng)環(huán)O 形圈被擠壓剝落，造成密封失效。

為了有效防止動(dòng)環(huán)O 形圈被擠破，變更動(dòng)環(huán)支撐環(huán)材料，選擇不銹鋼材料替代原來的石墨材料。

2.4.1.2 輔助密封圈外徑與密封圈槽尺寸不匹配

原來的支撐環(huán)是石墨材料，具有可壓縮性，因此其外徑偏小。如果使用同樣外徑的不銹鋼支撐環(huán)，由于外徑偏小，且不銹鋼材料不具有可壓縮性，在介質(zhì)壓力作用下，最終同樣會導(dǎo)致動(dòng)環(huán)O 形圈被擠壓剝落。因此使用不銹鋼支撐環(huán)需根據(jù)密封圈選型標(biāo)準(zhǔn)來選擇。根據(jù)密封圈選型公式：

式中 D1——安裝槽的外徑，mm

D——密封圈外徑，mm

δ——密封圈過盈量，mm，推薦值見表1

d2——密封圈橫截面直徑，mm

已知橫截面直徑為3.5 mm，安裝槽外徑為79.30 mm，因?yàn)殪o環(huán)內(nèi)徑為85.50 mm，查詢表1 可知密封圈的過盈量δ 取1.0 mm，將已知數(shù)據(jù)帶入公式D1=D+δ-2d2，可得密封圈外徑D=85.30 mm。

表1 基本尺寸與過盈量關(guān)系推薦值 mm

目前，已制定了不銹鋼支撐環(huán)備件外徑的標(biāo)準(zhǔn)為85.30±0.03 mm，并根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)修改了備件主數(shù)據(jù)，按照這個(gè)主數(shù)據(jù)采購新的備件。

2.4.2 輔助密封圈物理破壞

密封圈安裝過程中出現(xiàn)損壞的主要原因是密封溝槽處有毛刺、尖角，安裝時(shí)沒有涂抹潤滑劑，從而使密封圈被尖銳的刃口切傷，發(fā)生扭曲或卡住，表面產(chǎn)生凹或凸痕、起皮或剝落現(xiàn)象。

解決方法是，在安裝密封圈前檢查密封溝槽處沒有毛刺、尖角，若有則進(jìn)行打磨；檢查密封圈本身是否存在裂痕，安裝前使用潤滑劑涂抹密封圈。目前該要求已經(jīng)在維修規(guī)程中明確。

2.5 組裝質(zhì)量問題

機(jī)械密封是一種精密部件，對裝配質(zhì)量有很高的要求，如果組裝時(shí)不注意，同樣會損傷機(jī)械密封。經(jīng)過清洗檢查、尺寸校核后的機(jī)械密封便可組裝，在組裝過程中要注意以下3 個(gè)方面。

（1）為了避免損壞輔助密封圈，組裝時(shí)需要將所有輔助密封圈涂抹合適的潤滑劑。為了確保輔助密封圈安裝到位，需要先安裝輔助密封圈，再安裝主軸。

（2）為了防止動(dòng)靜環(huán)密封面在試驗(yàn)前可能磨損，在動(dòng)靜環(huán)的密封面保持一層水膜。

（3）在組裝動(dòng)環(huán)時(shí)，注意不能碰倒動(dòng)環(huán)的彈簧，以免影響動(dòng)環(huán)的浮動(dòng)性能。動(dòng)環(huán)組裝完成后，可以輕按一下動(dòng)環(huán)以確保動(dòng)環(huán)具有良好的浮動(dòng)性能。

3 結(jié)論

闡述裝卸料機(jī)料倉主軸密封的結(jié)構(gòu)、工作原理，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，查找、分析可能影響料倉主軸密封泄漏率的原因，歸納出泄漏超標(biāo)原因和應(yīng)對方法。對處理缺陷過程中的經(jīng)驗(yàn)及時(shí)總結(jié)，形成維修方案，供缺陷處理時(shí)參考，提高了缺陷定位、處理的速度。通過相關(guān)密封性材料的變更或替代，有效降低了裝卸料機(jī)料倉主軸密封泄漏超標(biāo)的次數(shù)，提高了設(shè)備可靠性，同時(shí)減少了工作人員輻射劑量，進(jìn)而保證了燃料操作系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。