嚴(yán)朋成

（中核核電運(yùn)行管理有限公司運(yùn)行一處，浙江 海鹽314300）

0 概述

反應(yīng)堆主冷卻劑泵是反應(yīng)堆的心臟，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時冷卻劑由反應(yīng)堆流出經(jīng)主管道流進(jìn)蒸發(fā)器，把熱量傳給二次側(cè)給水，然后再由主泵送回反應(yīng)堆進(jìn)行循環(huán)，主泵電機(jī)上的大飛輪增加主泵惰轉(zhuǎn)時間，在失去工作電源時靠主泵轉(zhuǎn)子惰轉(zhuǎn)帶出堆芯熱量，保證堆芯安全。因此要求主泵應(yīng)能長期連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，國內(nèi)外核電廠因主泵故障而導(dǎo)致的被迫停堆和計(jì)劃延遲事件絕大多數(shù)為主泵軸封故障所致,軸密封組件是主泵各部件中極為昂貴和更換較為頻繁的部件，秦山一期30萬機(jī)組采用的是KSB公司的RER700型，迄今已安全服役30年，期間積累了豐富的軸密封檢修和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文僅從運(yùn)行角度出發(fā)介紹和分析主泵軸密封系統(tǒng)。

1 軸密封系統(tǒng)

1.1 軸密封

為了防止高溫、高壓、帶放射性的冷卻劑泄漏，必須向泵提供軸封水將主冷卻劑抑制在下導(dǎo)軸承下，并通過一套可控軸封裝置控制沿主軸的泄露，KSB公司生產(chǎn)的RER700型主泵采用三級相同的流體動壓密封串聯(lián)而成（圖1為密封結(jié)構(gòu)圖），動環(huán)材料為石墨，靜環(huán)材料為碳化鎢，靜環(huán)不隨泵軸轉(zhuǎn)動但可以軸向移動，運(yùn)行時浸泡在水中，兩者之間有一層極薄的水膜，進(jìn)行潤滑和冷卻，動靜環(huán)卻不能接觸，因此不易磨損（密封整體外觀如圖2所示）。三道密封的設(shè)計(jì)壽命為二年。動環(huán)和靜環(huán)的制造和裝配，都要求有很高的精度（圖3為動靜環(huán)）。

圖1 反應(yīng)堆冷卻劑泵密封結(jié)構(gòu)

圖2 三級機(jī)械密封外觀

圖3 機(jī)械密封動環(huán)和靜環(huán)

反應(yīng)堆冷卻劑泵在正常情況下，三級密封各級承受的壓力按系統(tǒng)壓力（額定狀況壓力為150 par，約152.5 kgf/cm2）的40%（第一級密封），40%（第二級密封）和20%（第三級密封來分配）。但是在每個密封設(shè)計(jì)時按照100%的承壓能力進(jìn)行，如果任何一級密封失效，其他兩級密封能夠承受整個壓力（每級承壓50%）；如果兩級密封失效，另外一級密封能100%承受其壓力。各級密封壓降值的分配，是靠流過節(jié)流裝置的受控泄漏流來實(shí)現(xiàn)的。

每集密封能單獨(dú)承受系統(tǒng)全壓3小時。各級密封壓降值分配是靠流過節(jié)流裝置的受控泄漏流來實(shí)現(xiàn)的，第一級和第二級密封的節(jié)流裝置由兩組盤繞式毛細(xì)管組成，第三級密封節(jié)流裝置是依靠一只節(jié)流器來實(shí)現(xiàn)的。

軸密封部件還設(shè)有排液設(shè)施，使主泵內(nèi)不需要完全排水即能更換軸密封。因此泵內(nèi)設(shè)有托座，泵軸托座兩端壓差90 kPa，其泄漏量不超過0.23 m3/h，在所有工況下，軸密封工作壽命至少為10 000小時。密封安裝在密封室中。其中密封的轉(zhuǎn)動部件安裝在各級密封的軸套上，這些軸套與軸的各段滑配，各部件間依靠O型圈進(jìn)行密封[1]。

為了監(jiān)測密封在運(yùn)行中的狀態(tài)，在每個單獨(dú)的密封壓力腔中，安裝有一個壓力監(jiān)控裝置，主要監(jiān)測各級密封壓力。并且在高壓泄露流和低壓泄露流上安裝了壓力、流量和溫度監(jiān)控裝置，監(jiān)測軸封注入水的運(yùn)行狀態(tài)。

三級機(jī)械密封采用的是液體動壓密封，如圖4所示，其主要是為了在密封面間人為地制造潤滑液膜，以此來延長密封的壽命。

圖4 三級動壓密封系統(tǒng)

1.2 軸封注入水

正常運(yùn)行時，在二級密封與三級密封之間的受控泄漏流的流量約為0.8 m3/h，三級密封后泄漏量為0-1L/h，為了彌補(bǔ)該泄漏流量和防止反應(yīng)堆冷卻劑沿泵軸向上流到水潤滑軸承和軸密封區(qū)域，需要化學(xué)容積控制系統(tǒng)連續(xù)不斷地供給2 m3/h的軸封注入水，注入水首先進(jìn)入引射和旋液分離器與高壓密封水匯流在一起，然后進(jìn)入高壓冷卻器，通過高壓冷卻器后，將流量約5.6 m3/h的軸封注入水溫度降低到45℃左右，在第一級密封前，一路向下起隔液作用，防止主系統(tǒng)高溫冷卻劑直接進(jìn)入軸密封并對水潤滑軸承提供冷卻潤滑，另一路向上冷卻并潤滑軸密封，將受控泄漏流排到化學(xué)容積控制系統(tǒng)。

2 對軸密封系統(tǒng)的主要要求

2.1 軸封系統(tǒng)的運(yùn)行限制條件

啟主泵條件對軸密封的要求：

軸封注入水流量＞1.2 m3/h；

控制泄漏流流量＞0.2 m3/h。

自動停主泵條件中關(guān)于軸密封的要求：

控制泄漏流溫度（1/2邏輯）≥95℃；

控制泄漏流流量（1/2邏輯）≤1.07P+78.6 kg/h。

軸封系統(tǒng)穩(wěn)定可靠對主泵的安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此對主泵軸封系統(tǒng)的注入水及供應(yīng)主泵設(shè)冷水均做出了詳細(xì)要求。表1為不同注入水和設(shè)冷水條件下對主泵工況要求

2.2 評定軸密封部件狀況的主要準(zhǔn)則

評定軸密封部件的主要準(zhǔn)則是壓力分級和控制泄漏流量相關(guān)參數(shù)的變化，雖然三級密封的每一級均能承受系統(tǒng)全壓3小時，但為了主泵及反應(yīng)堆的安全，在密封及控制泄漏流量出現(xiàn)異常時應(yīng)及時降模式停止主泵運(yùn)行。

表2為各級密封在故障情況下各級密封前壓力及泄漏量參數(shù)。

密封失效的含義:

一對一號和二號密封如果壓力分配超出額定運(yùn)行壓力的范圍，就認(rèn)為這兩道密封已失效，控制泄漏量將超過限制曲線。

一對三號密封：如果三號密封泄漏量（滴漏）不斷增加（正常情況下約0～1L/h），則認(rèn)為三號密封失效。

3 運(yùn)行時主要問題分析

3.1正常運(yùn)行工況

軸封注入水2 t/h與螺旋泵出口來的引射水（3.6 t/h混合后經(jīng)高壓冷卻器冷卻，注入主泵后分兩股，如圖5左側(cè)所示。

圖5 注入水示意圖

表1 各種注入水和設(shè)冷水條件對應(yīng)的主泵工況

表2 密封失效判定

一股向上為軸封供水，分別經(jīng)過一、二級密封面旁側(cè)的蛇形盤管和一、二級密封面，匯合后絕大多數(shù)流量由三級密封外側(cè)的毛細(xì)管流出來（稱為主泵控制泄漏，正常流量約0.8 t/h），經(jīng)隔離閥回流到化容系統(tǒng)，極少部分水（0～1 L/h）經(jīng)3#密封后外漏（又稱3#密封泄漏）流入疏排水系統(tǒng)。

另一股向下（約4.8 t/h）經(jīng)主泵軸上自帶的螺旋泵增壓后，冷卻、潤滑石墨導(dǎo)軸承。然后又分為兩股，其中一股流入引射器，再經(jīng)高壓冷卻器再循環(huán)，另一股水（1.1 t/h）進(jìn)入泵體，與主系統(tǒng)冷卻劑混合。

注入水用來潤滑和冷卻軸承和軸密封，注入水與通過軸封泄漏流和經(jīng)過軸承進(jìn)入主系統(tǒng)的量相平衡。旋風(fēng)分離器的水與注入水相混合后一同進(jìn)入高壓冷卻器，以便使軸封水保持一個基本恒定的溫度。

3.2 失去注入水

3.2.1 主泵運(yùn)轉(zhuǎn)時失去軸封注入水

可保持運(yùn)行24小時，此時軸封和軸承所需冷卻水由高壓冷卻回路來冷卻，螺旋泵將泵送約1.5 L/s的流量通過高壓冷卻回路，循環(huán)冷卻流全部被旋風(fēng)分離器凈化，但是此時軸封系統(tǒng)的泄漏量將由主系統(tǒng)水來替代（如圖5右側(cè)所示），應(yīng)密切關(guān)注容控箱、穩(wěn)壓器液位及控制泄漏流溫度。

3.2.2 主泵停運(yùn)時失去軸封水

稱之為熱虹吸工況，此時高壓冷卻回路中高壓冷卻器所在位置具備產(chǎn)生熱虹吸效應(yīng)來冷卻軸封和軸承，但是軸封回流的受控泄漏閥必須處于關(guān)閉位置。

3.2.3 主泵由運(yùn)轉(zhuǎn)至停用失去注入水

主泵由運(yùn)轉(zhuǎn)至停用應(yīng)按照表1所示在轉(zhuǎn)速降至50 r/min時關(guān)閉軸封受控泄漏閥，促成熱虹吸效應(yīng)形成。

3.3 失電工況

3.3.1 任一6 kV安全段失電

我廠歷史上多次在功率運(yùn)行時因一段6 kV安全段突然失電使上充泵停運(yùn)，從而短時失去軸封注入水，但備用上充泵的連鎖自啟使軸封注入水很快恢復(fù)，并未對主泵軸封造成損害。但為防止6 kV一段失電時使注入水和冷卻水同時失去（且備用泵未連鎖自啟），建議上充泵、設(shè)冷泵分段運(yùn)行，從而在失電瞬態(tài)時為運(yùn)行人員提供更多的干預(yù)時間。

3.3.2 全廠失電

此時軸封注入水、冷卻水均同時失去，主泵設(shè)計(jì)在軸封注入水、冷卻水同時失去且頂軸油泵失電的情況下也能安全墮轉(zhuǎn)至停運(yùn)。我廠新增設(shè)的SBO軸封注水系統(tǒng)可在全廠失電工況下為主泵提供軸封水，防止主系統(tǒng)高溫水損壞軸封形成LOCA，但需注意以下事項(xiàng)：

（1）若主泵的冷卻條件事前已喪失過，則在沒有對其可用性進(jìn)行評價之前，不應(yīng)再啟動該泵。

（2）若主泵的設(shè)冷水已喪失，則在啟動第一臺上充泵之前應(yīng)隔離相應(yīng)主泵的軸封注入水。

（3）在主泵失去軸封水后應(yīng)立即投入SBO軸封注水泵，超過15分鐘需要評估后再決定是否投入軸封注水泵。

（4）應(yīng)緩慢建立主泵軸封注入水流量以盡量減小熱應(yīng)力，防止主泵軸密封的損壞。

（5）主泵高壓冷卻器的設(shè)冷水應(yīng)在軸封注水投入20分鐘后投入，以免失電期間在設(shè)冷水側(cè)形成的蒸汽突然冷凝造成強(qiáng)烈振蕩。

（6）在確認(rèn)主泵高壓冷卻器設(shè)冷側(cè)無汽腔后，緩慢恢復(fù)主泵設(shè)冷水，以免蒸汽突然凝結(jié)造成強(qiáng)烈振蕩損壞主泵及主系統(tǒng)壓力邊界。

（7）在沒有對主泵軸密封的可用性進(jìn)行評價之前，不應(yīng)啟動該主泵。

3.4 系統(tǒng)失壓

正常的軸封注入水流向應(yīng)該是一級機(jī)械密封、二級機(jī)械密封、三級機(jī)械密封、主系統(tǒng)，但當(dāng)主系統(tǒng)失壓后，三級密封注入冷卻水由于失去背壓而直接進(jìn)入主系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)械密封失去冷卻水，使得三級機(jī)械密封發(fā)生磨損后喪失設(shè)計(jì)功能。我廠于R11主系統(tǒng)水實(shí)體時因卸壓閥動作使主系統(tǒng)突然失壓，使主泵A的第三級機(jī)械密封損壞。

而主系統(tǒng)失壓主要有以下情況。

3.4.1 動態(tài)趕氣

我廠大修完畢在主系統(tǒng)充水完成后均需啟主泵對主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)次動態(tài)趕氣，主泵啟動后系統(tǒng)壓力會降低，尤其是第一次動態(tài)趕氣系統(tǒng)壓力下降最大，此時須由專人控制下泄流量及時回升系統(tǒng)壓力，若系統(tǒng)壓力突降至2.2 MPa則立即停止主泵防止損壞密封件。

不唯如此，動態(tài)趕氣時在主泵機(jī)械密封壓蓋端面處密封O形圈附近易發(fā)生汽水兩相沖擊現(xiàn)象，由于汽水兩相沖擊引發(fā)局部壓力脈動，可能使部分水氣突破O形圈的密封，通過聯(lián)接螺栓而滲出。

建議我廠增設(shè)主系統(tǒng)抽真空裝置，除了能大幅減少充水時間之外，也省去了啟主泵動態(tài)趕氣的環(huán)節(jié)。

3.4.2 功率運(yùn)行時失壓功率運(yùn)行時主系統(tǒng)失壓而停堆，應(yīng)嚴(yán)格遵守事故規(guī)程關(guān)注系統(tǒng)壓力及時停止主泵運(yùn)行。

3.5 高壓冷卻器一次閥關(guān)閉

我廠于2016年6月21日功率運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)主泵B的高壓冷卻器一次側(cè)進(jìn)出口閥關(guān)閉，控制泄漏流溫度由56℃升至67℃、主泵B高壓冷卻器一次側(cè)溫度39.2℃降至32.1℃，后查明為主泵B高壓冷卻器的設(shè)冷水流量報警卡定值漂移使一次側(cè)進(jìn)出口閥關(guān)閉。在高壓冷卻器一次側(cè)隔離情況下，軸封注入水會通過旋液分離器反向進(jìn)入主泵葉輪背面，然后向上冷卻水潤滑導(dǎo)軸承和軸密封，圖6為一次閥關(guān)閉后控制泄漏流溫度變化趨勢，可知泄漏流溫度上升至67℃后趨于穩(wěn)定，不會一直上升：

圖6 高壓冷卻器一次側(cè)關(guān)閉后控制泄漏流溫度變化

（1）0.8 m3/h軸封注入水逆著螺旋泵并流經(jīng)三道密封（控制泄漏）

（2）剩余的1.2 m3/h進(jìn)入主系統(tǒng)

（3）控制泄漏流溫升：47→67℃。與正常狀況下溫升37→57℃相當(dāng)。

高壓冷卻器設(shè)冷水流量達(dá)20 m3/h時認(rèn)為高壓冷卻器傳熱管發(fā)生破裂，將破口自動隔離，而主泵運(yùn)行維護(hù)說明書明確表示這種工況不需要自動停泵，持續(xù)監(jiān)測控制泄漏流溫度大于95℃時停泵[4]。

主泵的生產(chǎn)廠家德國KSB認(rèn)為在關(guān)閉高壓冷卻器進(jìn)出口閥門的情況下，軸封注入水會通過旋液分離器反向進(jìn)入主泵葉輪背面，然后向上冷卻水潤滑導(dǎo)軸承和機(jī)械密封，這種工況屬于主泵的設(shè)計(jì)工況之一，且做過臺架試驗(yàn)，不會導(dǎo)致泵的損壞。

該工況下應(yīng)視為軸封注入水并未喪失，僅是高壓冷卻器的設(shè)冷水喪失，此時應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視主泵受控泄漏流量和溫度，防止工況惡化。同時也為高壓冷卻器失去設(shè)冷水時提供了干預(yù)方向，即關(guān)閉高壓冷卻器一次側(cè)進(jìn)出口閥，防止失去冷卻水時注入水繼續(xù)引射泵體高溫水使軸封水溫度超限。

但此工況并非正常運(yùn)行工況，尤其是因誤發(fā)設(shè)冷水流量高信號使冷卻器一次側(cè)閥門隔離，因此，建議對高壓冷卻器一次側(cè)進(jìn)出口閥增加手自動選擇開關(guān)，誤關(guān)閉時可手動開啟，及時使軸封注入水恢復(fù)至正常運(yùn)行工況。

4 結(jié)語

本文介紹了KSB公司生產(chǎn)的RER700型主泵軸密封的結(jié)構(gòu)組成及密封冷卻原理，詳細(xì)列舉了軸密封各種運(yùn)行條件下的不同限制要求，對判別軸密封失效的準(zhǔn)則進(jìn)行了闡述。結(jié)合秦山一期主泵運(yùn)行事例對軸密封運(yùn)行問題進(jìn)行了逐一分析，并對其中存在的運(yùn)行風(fēng)險提出了解決建議。