黃秀寬，楊彤，寧波

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

反應(yīng)堆主循環(huán)泵機(jī)械密封泄漏分析及改進(jìn)

黃秀寬，楊彤，寧波

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

分析引起反應(yīng)堆主循環(huán)泵機(jī)械密封泄漏原因，機(jī)械密封沖洗管加裝流量孔板阻尼件的改進(jìn)及效果。

核主泵；機(jī)械密封；泄漏

0 前言

某研究型反應(yīng)堆一回路共有4臺(tái)主循環(huán)泵，分別標(biāo)號(hào)為A，B，C，D，均為臥式單級(jí)離心泵。該泵由水力部分、密封裝置、電機(jī)和慣性飛輪4部分組成，其中密封裝置采用核級(jí)機(jī)械密封。自該反應(yīng)堆主回路系統(tǒng)調(diào)試開始，4臺(tái)主循環(huán)泵機(jī)械密封均存在不同程度的泄漏問(wèn)題，其中C泵最大泄漏率達(dá)6 L/h，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于其輸送的冷卻劑具有放射性，故分析查找機(jī)械密封泄漏原因、解決泄漏問(wèn)題成為該系統(tǒng)調(diào)試中一項(xiàng)重要工作。

1 機(jī)械密封泄漏初步分析

造成機(jī)械密封泄漏有多種原因，結(jié)合反應(yīng)堆主循環(huán)泵及機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和特性，主要考慮6方面因素。

（1）密封面磨損。輸送介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入密封面造成磨損；由于裝配不當(dāng)導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)過(guò)度壓緊造成磨損；由于彈簧壓力不均衡造成密封面磨損。

（2）主循環(huán)泵轉(zhuǎn)子軸向竄量過(guò)大（主循環(huán)泵采用一對(duì)背靠背推力軸承），使密封面壓緊力降低，或使機(jī)械密封與軸套間的O形密封圈靜密封遭到破壞。

（3）機(jī)械密封與主循環(huán)泵轉(zhuǎn)子同軸度有偏差，影響動(dòng)靜環(huán)正常配合。

（4）主循環(huán)泵轉(zhuǎn)子有輕微彎曲變形、轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)過(guò)大。

（5）主循環(huán)泵振動(dòng)過(guò)大。

（6）動(dòng)靜環(huán)密封面錯(cuò)位。

2 檢查測(cè)量查找泄漏原因

將泄漏最嚴(yán)重的C泵機(jī)械密封拆卸后解體檢查，并對(duì)該泵振動(dòng)、轉(zhuǎn)子軸向竄量及徑向跳動(dòng)等進(jìn)行測(cè)量。密封面有輕微磨損；動(dòng)靜環(huán)配合良好，彈簧壓緊力均勻適當(dāng)；O形密封圈無(wú)損壞，靜密封有效；泵轉(zhuǎn)子軸向竄量＞1 mm，需要調(diào)整；泵轉(zhuǎn)子無(wú)變形彎曲；測(cè)量泵軸承及葉輪處機(jī)殼振動(dòng)速度，軸向達(dá)到B級(jí)，徑向水平和豎直均達(dá)到A級(jí)。

測(cè)量完畢后，將軸承壓蓋密封面車削1 mm以調(diào)整轉(zhuǎn)子軸向竄量至合格范圍。鑒于動(dòng)靜環(huán)密封面有輕微磨損，更換一件新機(jī)械密封，安裝時(shí)注意同軸度，防止密封面錯(cuò)位。新機(jī)械密封安裝完畢后，啟動(dòng)主循環(huán)泵，觀察機(jī)械密封泄漏沒(méi)有改善。

3 確認(rèn)沖洗環(huán)節(jié)問(wèn)題

考慮到停泵狀態(tài)機(jī)械密封在靜壓下為零泄漏這一情況，為進(jìn)一步查找機(jī)械密封泄漏原因，仔細(xì)觀察泵啟動(dòng)到停止過(guò)程的泄漏變化情況。該反應(yīng)堆主循環(huán)泵帶有慣性飛輪，泵斷電后仍然會(huì)惰轉(zhuǎn)一段時(shí)間以保證持續(xù)供水冷卻反應(yīng)堆堆芯。發(fā)現(xiàn)在泵斷電的一瞬間，機(jī)械密封就停止泄漏。顯然，這個(gè)現(xiàn)象與沖洗環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密。由于沖洗水取自泵出口，壓力約1.1 MPa，該壓力通過(guò)沖洗管出口作用在密封面局部，懷疑密封面受力不均勻而產(chǎn)生泄漏。從觀察的現(xiàn)象看，泵斷電的一瞬間，出口壓力降低，沖洗水壓力隨之下降，機(jī)械密封就不再泄漏，由此確定了通過(guò)降低機(jī)械密封沖洗水壓力解決泄漏問(wèn)題的思路。

4 改進(jìn)方案

在內(nèi)徑8 mm的機(jī)械密封沖洗管中安裝直徑4 mm的孔板，以降低冷卻水流量，從而降低密封面沖洗水壓力，減少泄漏。

為從理論上驗(yàn)證上述方案的可行性，對(duì)機(jī)械密封周圍的流道進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算進(jìn)水管無(wú)孔板（直徑8 mm）和有孔板（直徑4 mm）2種情況下密封處的壓力分布并進(jìn)行分析比較。

（1）計(jì)算方法與模型。由于計(jì)算對(duì)象較為復(fù)雜，采用了數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計(jì)算。流域的物理模型如圖1所示。

使用ICEMCFD 13.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，無(wú)孔板流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為60338，有孔板流域節(jié)點(diǎn)數(shù)為68230。

使用ANSYS CFX 13.0進(jìn)行數(shù)值模擬。進(jìn)口條件為全壓1.12 MPa；出口條件為靜壓0.002 MPa；與轉(zhuǎn)動(dòng)部件接觸的各面邊界條件為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為1480 r/min；其他面為無(wú)滑移壁面。湍流模型選用k-ε模型。初算結(jié)果表明，流域中部分區(qū)域絕對(duì)壓力遠(yuǎn)低于零是不合理的，實(shí)際上，這些區(qū)域應(yīng)該是發(fā)生了汽化。因此，選用空化模型，以模擬汽化現(xiàn)象，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

（2）計(jì)算結(jié)果分析。計(jì)算結(jié)果表明，加裝孔板后，冷卻水的總流量顯著降低，密封處平均壓力也隨之顯著減小，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 流域比較

表1 計(jì)算結(jié)果比較

從結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，加裝孔板后，密封處最大壓力顯著減小，最小壓力則顯著增大，故周向壓力分布不均勻程度也降低了，壓力分布見(jiàn)圖2、圖3。

分析認(rèn)為，上述壓力變化是由流量變化引起的。加裝孔板后，流道的最窄流通面積顯著減小，阻力特性隨之增大，故總流量顯著降低，密封處附近流道的最大流速和平均流速均降低，因此最大壓力和平均壓力隨之減小；另一方面，流速降低使得空化現(xiàn)象減弱，故密封處最小壓力反而增大了。

此外，由圖2和圖3還可以看出，加裝孔板前后，最大壓力出現(xiàn)的位置也有所不同。這是因?yàn)榱魉俚蜁r(shí)流場(chǎng)受轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)的影響更大，沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的壓差有所顯現(xiàn)。

數(shù)值模擬和分析表明，加裝直徑4 mm孔板后，密封處平均壓力顯著減小，這應(yīng)該就是泄漏量減小的原因。因此，在進(jìn)口管內(nèi)加裝直徑4 mm孔板以解決機(jī)械密封泄漏的方案是合理的。

圖2 無(wú)孔板密封處壓力分布

5 機(jī)械密封沖洗環(huán)節(jié)改進(jìn)及效果

對(duì)4臺(tái)主循環(huán)泵的機(jī)械密封沖洗管全部進(jìn)行改造（圖4），加裝流量孔板阻力件（圖5）。

6 結(jié)論

（1）安裝阻力件后，機(jī)械密封沖洗流量為25 L/min，遠(yuǎn)大于所需的6～10 L/min的技術(shù)要求，沖洗流量減小不會(huì)影響機(jī)械密封的正常工作。

（2）安裝阻力件后，機(jī)械密封內(nèi)部壓力減小，壓力分布較安裝前均勻，機(jī)械密封運(yùn)行條件有所改善，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（3）阻力件外形尺寸、安裝部位不影響沖洗管的安裝和密封，而且安裝簡(jiǎn)單、方便。不影響主循環(huán)泵運(yùn)行參數(shù)。

（4）4臺(tái)主循環(huán)泵兩端機(jī)械密封安裝阻力件后，幾乎不漏或泄漏率很小，效果非常理想。

圖3 有孔板密封處壓力分布

圖4 密封沖洗孔示意圖

圖5 密封阻力件安裝位置

［1］王曉青.機(jī)械密封失效的影響因素與影響機(jī)制研究［J］.石油化工設(shè)備，2011，40（5）.

［2］王玉明，黃偉峰，李永健.核電站一回路用機(jī)械密封［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4）.

［3］JB/T 8097-1999，泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法［S］.

〔編輯 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.37