肖 勝，周 濤，胡 成，許 鵬

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京102206；2.華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準化研究所，北京102206；3.華北電力大學(xué) 非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京100206；4.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京211189；5.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港538000)

0 引 言

核電作為一種新型的高效清潔能源，符合我國可持續(xù)發(fā)展方針。在核電站中，需要用到各類的核安全一級到三級泵，而在核安全一級泵中，反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡稱主泵)由于可以為一回路的冷卻劑循環(huán)提供動力，是核電站的關(guān)鍵設(shè)備。實際運行情況下，核安全一級泵需要在高溫、高壓、放射性環(huán)境下工作，容易發(fā)生各種故障，從而直接威脅到核電站的安全運行。雖然洪振旻等[1]對主泵機械密封泄漏量異常進行過研究，齊盼進等[2]對主泵軸承故障進行過分析研究，黃佳平等[3]對氣動閥診斷檢修技術(shù)進行了探討，但是都對主泵注入水引起的故障研究還不夠深入。因此，對主泵的注入水參數(shù)與常見故障進行深入研究具有重要意義，能為今后核電站主泵維修工作提供相關(guān)借鑒。

1 主泵的結(jié)構(gòu)與特點

1.1 CPR1000主泵結(jié)構(gòu)

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成

壓水堆中的主泵多采用立式混流泵、立式軸流泵、離心泵。它們的結(jié)構(gòu)均為泵在主體的下部，電機在泵上部。泵的運行由電機直接驅(qū)動，通常使用三級密封方式作為軸密封的措施。電機結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。

圖1 主泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of main pump

從圖1可以看到，主泵結(jié)構(gòu)大致可以分為3個部分：1)水力機械部分，包括吸入口和出水口接管、泵殼、葉輪、擴壓器和導(dǎo)流管、泵軸、水泵軸承和熱屏等部件；2)軸封系統(tǒng)，主要是3個軸密封部件；3)電動機部分，包括電動機、止推軸承、上下徑向軸承、頂軸油泵系統(tǒng)和慣性飛輪等部件。

1.1.2 運行參數(shù)

以大亞灣核電站1、2號機主泵為例[4]，大亞灣核電站的安全殼內(nèi)放置主泵機組，其運行參數(shù)為：環(huán)境溫度Tw最高溫度為50 ℃，最低溫度為15 ℃；正常工況下反應(yīng)堆主泵吸入口管嘴壓力為15.2 MPa，溫度為293 ℃，其最低運行壓力不小于2.3 MPa，若出現(xiàn)運行壓力低于2.3 MPa，易發(fā)生葉輪汽蝕;反應(yīng)堆主泵出水口管嘴處的最大壓力為17.1 MPa。

1.2 AP1000主泵結(jié)構(gòu)

AP1000主泵與二代核電主泵不同，為單級、全密封、高轉(zhuǎn)動慣量屏蔽式離心泵，AP1000主泵結(jié)構(gòu)[1]如圖2所示。

從圖2可以看到，反應(yīng)堆主泵水力部件(包含葉輪、吸入段、導(dǎo)葉等)是設(shè)計安裝在主泵電動機上端的，部件之間不設(shè)有聯(lián)軸器。反應(yīng)堆主泵的轉(zhuǎn)子部分(包含水力部件和轉(zhuǎn)子部分)的支撐是依靠電動機上下部分的徑向滑動軸承和下方雙向推力軸承，軸承的冷卻和潤滑主要依靠于一回路的水進行的。反應(yīng)堆主泵的電動機及轉(zhuǎn)子部分包容在承壓殼內(nèi)部，承壓殼體主要是由泵的主殼體、熱屏蔽部分、定子殼體以及定子端蓋組成，其主要作用是承擔(dān)來自核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的所有壓力。

圖2 主泵軸封結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of main pump shaft seal

1.3 AP1000與CPR1000主泵對比

1.3.1 參數(shù)比較

相對于傳統(tǒng)的軸封式主泵，屏蔽泵在額定功率、額定流量、揚程等參數(shù)上有所不同，AP1000主泵與CPR1000主泵參數(shù)對比如表1所示。

表1 AP1000與CPR1000參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters between AP1000 and CPR1000

從表1可以看到，AP1000主泵總高較CPR1000主泵低15.4%，額定功率低20.8%，在額定流量面較CPR1000主泵低24.8%，而揚程反比CPR1000高14%。

1.3.2 特點比較

AP1000屏蔽泵與CPR1000主泵相比，其主要特點有：

1)AP1000主泵為屏蔽式主泵，由于其旋轉(zhuǎn)軸不存在向外延伸的部分，因此就不會出現(xiàn)輸送液體向外泄露情況，因此也消除了由于軸密封失效或者全廠斷電等事故工況影響下存在的冷卻劑泄漏風(fēng)險，將極大地強化了核反應(yīng)堆的安全性能。

2)CPR1000具有軸封系統(tǒng)，而屏蔽泵由于去除軸封系統(tǒng)和與之相關(guān)的輔助系統(tǒng)，大大簡化了發(fā)電機組的運行，同時有效降低屏蔽泵的維修工作量。

3)屏蔽泵的軸向作用力主要是由轉(zhuǎn)子本身重量及水對葉輪產(chǎn)生的推力組成的。對于將泵設(shè)置在上部，電動機設(shè)置在下部的布局，兩部分軸向力的方向相反，在靜止時推力軸承受來自于轉(zhuǎn)子的重量，在泵運行過程中葉輪水推力能夠抵消掉部分轉(zhuǎn)子的重量。

綜上所述，AP1000的主泵——屏蔽泵具備封閉性強、安全系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、運行更為平穩(wěn)等優(yōu)點。

2 主泵的常見故障分析

2.1 注入水參數(shù)變化

嶺澳的二號機組[5]的3臺CPR1000主泵自從商業(yè)運行以來，在每次燃料循環(huán)的末期發(fā)生一號密封的泄漏量異常的現(xiàn)象。在每年的例行大修前45天左右，一號密封均會發(fā)生泄漏量上升，嚴重時泄漏量接近報警值。因此每次在大修時都會對一號密封進行拆除，并進行檢查，這對人力物力造成了大量的浪費。

在進行第3次大修時，為分析連續(xù)3年一號密封泄漏量異常的現(xiàn)象，將原有一號密封組件進行拆除更換，并將其送去法國原廠家進行檢測。

2.1.1 實驗數(shù)據(jù)

此一號密封組件由JSPM公司提供，材質(zhì)為氧化鋁，密封方式為機械密封。該實驗在1999年12月進行，試驗顯示數(shù)據(jù)一切正常，注入溫度60 ℃，注入壓力 15.8 MPa，泄漏流量為493 L/h。JSPM通過在試驗臺架上對機械密封進行檢查，所得實驗結(jié)果[1]如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可知：正常運行工況下，主泵的一號密封系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)正常，和設(shè)定值差別不大。

表2 試驗臺架數(shù)據(jù)Table 2 Data on test bench

2.1.2 參數(shù)變化趨勢

根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù)繪制泄漏壓力、泄漏流量隨時間變化曲線如圖3所示，泄漏溫度、注入溫度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3 泄漏壓力、泄漏流量隨時間的變化Fig.3 Variation of leakage pressure and leakage flow with time

圖4 泄漏溫度、注入溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of leakage temperature and injection temperature with time

從圖3可以看出，主泵泄漏壓力不隨時間的變化而變化。隨著時間的增大，泄漏流量先增大后減小，在時間為1.5 h到2.5 h內(nèi)，泄漏流量幾乎不變，在時間到達3 h時泄漏流量突然減小。從圖4可以看到，注入溫度一直保持60 ℃不變，而泄漏溫度剛開始由63.3 ℃在經(jīng)過1h增長到69.1 ℃后，就一直保持平穩(wěn)，在1.0 h到3.0 h之間幾乎不變。

從圖3、圖4泄漏壓力、泄漏流量、泄漏溫度、注入溫度隨時間的變化可知，一號軸封各部件并未產(chǎn)生異常反應(yīng)，機械密封并不是導(dǎo)致在運行時間末期所產(chǎn)生的泄漏流量異常現(xiàn)象的原因。廠家經(jīng)過試驗后指出，運行壽期末所產(chǎn)生的泄漏流量異?，F(xiàn)象，可能是由水注入特性的變化引起的機械密封性能突變引起的。

2.2 電泳現(xiàn)象

溶液中帶電粒子在電場中移動的現(xiàn)象叫作電泳，電泳現(xiàn)象是導(dǎo)致一號密封泄漏量異常的重要因素，當(dāng)流體流經(jīng)一號密封時，流體中的帶電顆粒在密封面處在電泳現(xiàn)象的作用下堆積，進而對一號密封組件的密封面流道產(chǎn)生影響，改變流道面積，導(dǎo)致一號密封組件泄漏。電泳現(xiàn)象的控制對機組的穩(wěn)定運行及一號密封泄漏量的控制起至關(guān)重要的作用。一號密封中存在的電泳現(xiàn)象主要有以下幾部分組成：

1)機械密封注入水的物性參數(shù)；

2)注入水中所含腐蝕產(chǎn)物顆粒對一號密封組件的影響；

3)將一號密封組件中的動環(huán)和靜環(huán)當(dāng)作電極。

2.3 注水水化學(xué)現(xiàn)象

核反應(yīng)堆主泵在運行中，隨著機組的燃耗增加，回路系統(tǒng)內(nèi)的硼濃度將不斷降低，容控箱的pH值增加，這時會導(dǎo)致腐蝕顆粒的沉積—溶解的平衡，使得腐蝕顆粒更容易沉積，進而引起軸封密封性發(fā)生惡化。而在壽期末容控箱出水pH增長的斜率明顯加大，相應(yīng)引起的效應(yīng)更加明顯。

在實驗過程中可以發(fā)現(xiàn)：主泵一號密封組件在系統(tǒng)進行慢稀釋和快稀釋時的泄漏量會產(chǎn)生變化。慢稀釋[6]時，主泵機械密封泄漏流量不斷上升，除鹽水由硼水補給系統(tǒng)注入到容控箱中，與容控箱中原有的水進行混合，并流入上充流。這部分水與正常狀態(tài)下的上充流水質(zhì)相差不大，但當(dāng)可進行快稀釋時，水直接注入上充流入口，此時上充流流量增大，與正常上充流比較pH低。此時的上充流對一號密封組件密封面的顆粒層存在溶解作用。當(dāng)采用慢稀釋時，此時的溶解作用降低，會導(dǎo)致密封面的密封性能惡化。

2.4 其他故障分析

主泵除了一號軸封引起的典型故障外，還有其他一些故障[7]，如表3所示，例如軸的故障、轉(zhuǎn)子的故障還有汽蝕作用導(dǎo)致的故障等等，這些故障差異性較大，準確判斷故障的類型對之后的檢修工作顯得尤為重要。

表3 主泵故障頻帶Table 3 Failure frequency band of main pump

3 主泵的常見故障處理

通過對第2節(jié)主泵的常見故障分析可知，主泵的故障處理可以采用以下幾種方法：

1)降低軸封水溫度。降低軸封水溫度，一個方面可以改變其流體特性，水的粘度增大，密封效果更佳，降低了泄露量。另一個方面，軸封水溫度降低，熱膨脹和熱應(yīng)力減小，進而減少密封面的變形程度，減少了泄漏量。

2)切換濾網(wǎng)。軸封注入水裝設(shè)有一個備用濾網(wǎng)。備用濾網(wǎng)之前一直處于備用狀態(tài)，在早期就充滿了水，當(dāng)切換到備用濾網(wǎng)時，注入水的硼濃度較高、溫度較低、含氧量也較高，這樣一定程度上可以利用其酸性對沉積在密封面上的顆粒物進行清潔[8]利于密封面形狀的恢復(fù)，從而減少泄漏量。

3)改變密封注入水的濾網(wǎng)精度。加入軸封注入水中具有較多的顆粒物，顆粒物的沉積會使得密封面形狀改變、性能下降。在對主泵進行檢修時，采用過濾更細的濾網(wǎng)可以有利地改善水質(zhì)，從而提高密封面的工作性能，有利于降低泄漏量。

4)AP1000屏蔽泵的維修。屏蔽泵具有運行穩(wěn)定、運行時振動小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但在日常運行中會存在不可預(yù)見的問題，因此西屋公司在對屏蔽泵進行設(shè)計時在泵內(nèi)部預(yù)留下一部分空間便于檢修，然而由于此空間預(yù)留面積較小，反而增加了維修難度。

5)其他故障預(yù)防及處理。在正常運行維護時，比較簡單的預(yù)防方式為按時更換潤滑油。潤滑軸承運行一段時間后需要進行換油。滾動軸承換油的時間則要在大修期間，運行時需要關(guān)注其油位，及時補充。其次，要及時更換盤根，安裝要正確。發(fā)現(xiàn)盤根磨損比較嚴重或者已經(jīng)老化時，要及時更換。最后，定期檢查可以事先排除故障。定期檢查各顯示儀表是否正常，檢查各關(guān)鍵點溫度是否正常，檢查是否存在跑冒滴漏，檢查各連接部分是否符合松緊要求。

4 結(jié) 論

通過對主泵易出現(xiàn)的其他故障特征等進行歸類，主要對引起主泵機械密封惡化的3個原因(注水參數(shù)變化、電泳現(xiàn)象和注水水化學(xué)現(xiàn)象)進行分析。系統(tǒng)地展現(xiàn)了主泵的主要故障問題，針對出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的干預(yù)措施和檢修方案，為現(xiàn)場的檢修人員提供了理論上的參考意見。

1)電泳現(xiàn)象可造成機械密封動靜環(huán)間流道特性改變，引起機械密封泄漏流量異常。

2)注入水水化學(xué)現(xiàn)象可加劇惡化機械密封性能。

3)屏蔽泵具有結(jié)構(gòu)相對簡單、振動小、運行可靠等優(yōu)點，但泵的檢修很困難。