中核核電運(yùn)行管理有限公司 韓正昌

某核電廠毗鄰杭州灣，現(xiàn)裝機(jī)容量為一臺350MW機(jī)組。機(jī)組設(shè)計(jì)海水取水流量為21.33m3/s，位于49-3#海水泵房安裝了4臺海水泵為：02#設(shè)冷熱交換器、07#應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組套管式水冷器提供海水冷卻水。海水泵房為整體構(gòu)筑物，由于杭州灣在地理上呈漏斗狀，灣面從寬到窄急行收縮，導(dǎo)致取水口所在海域潮強(qiáng)流急、含沙量大，水域漲、落潮含沙量最大可達(dá)5～12kg/m3，平均為3～6kg/m3。海水泥沙顆粒直徑比較細(xì)（小于0.1mm的顆粒占97%以上），難以預(yù)沉去除。海水對泵房內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械及管道閥門的使用壽命有著不利影響。另外，吸水室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著不合理因素，近年來4臺海水泵各類缺陷頻發(fā)，也影響了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

某核電廠4臺海水泵為沈陽水泵廠生產(chǎn)20SHF-19型單級雙吸水平中開臥式離心泵，核安全3級，抗震I類設(shè)計(jì)。海水泵吸入口與吐出口均在軸心線下方，水平方向與軸線成垂直位置。泵體與泵蓋的結(jié)合面在軸心線上，其間用膠質(zhì)石棉板密封，位于泵軸中間位置。兩端支承為滑動(dòng)軸承，軸密封采用機(jī)械密封。泵體與泵蓋共同構(gòu)成泵的工作室。吸入管與吐出管和泵體鑄成一體，其中心線與軸線呈垂直位置。在吸入管與吐出管的法蘭上留有安裝真空表和壓力表螺孔。在泵蓋上的最高點(diǎn)及吸入管與吐出管的最底位置也留有螺孔，用以啟動(dòng)前的注水和關(guān)閉后放水用。葉輪為雙吸葉輪，水從兩端進(jìn)入葉輪。由于葉輪形狀對稱，葉輪兩側(cè)所受壓力大致相等，過流表面應(yīng)要打磨光滑，不應(yīng)有疤痕和砂眼等鑄造缺陷。葉輪裝配在軸的中間，用平鍵、軸套和軸套背帽固定，軸靠兩端軸承支承，通過聯(lián)軸器與其相連接的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1 海水泵常見問題及原因分析

統(tǒng)計(jì)近年來有關(guān)4臺海水泵產(chǎn)生的缺陷及狀態(tài)報(bào)告，設(shè)備主要失效形式概括為以下7種：潤滑故障，表現(xiàn)為箱內(nèi)油擋與軸的安裝位置偏移，油擋定位螺絲松動(dòng)造成油檔松脫，潤滑脂外漏；泵運(yùn)行過程中由于振動(dòng)等原因閥門閥桿松動(dòng)，閘板振動(dòng)，閥芯脫落失效及管道活結(jié)處滲水；腐蝕，表現(xiàn)為管道砂眼，防腐涂層脫落，法蘭端面銹蝕等現(xiàn)象；海水沖刷或電動(dòng)頭電樁調(diào)節(jié)不到位造成泵進(jìn)出口閘閥內(nèi)漏，關(guān)不嚴(yán)等現(xiàn)象；異物堵塞，表現(xiàn)為工業(yè)水水質(zhì)差造成機(jī)械密封冷卻水和軸承箱冷卻水流量，壓力偏低，海水夾帶泥沙附著造成機(jī)械密封失效等；吸入口進(jìn)氣等造成泵出口壓力低，備用泵啟動(dòng)異常等；電氣故障。

1.1 腐蝕防護(hù)及難點(diǎn)

海水泵由于其介質(zhì)的特殊性，存在海水對管道、閥門、泵結(jié)構(gòu)部件等多處腐蝕，日常添加次氯酸鈉抑制海生物的滋生，但是次氯酸鈉同樣存在腐蝕問題。相對于管子較細(xì)處由于海水腐蝕產(chǎn)生砂眼較多，突出表現(xiàn)是海水泵出口壓力表引壓管與出口母管連接處產(chǎn)生砂眼。早在2017年4臺海水泵均相繼出現(xiàn)此現(xiàn)象，3號海水泵出口壓力表引壓管與出口母管連接處在2017年間出現(xiàn)砂眼3次，砂眼數(shù)量最多時(shí)4處，巡檢發(fā)現(xiàn)高潮位時(shí)砂眼處呲水尤為明顯，水流射出約1.2m遠(yuǎn)，出口蝶閥電樁有被淋濕的威脅。

118大修期間，4臺海水泵出口壓力表引壓管因歷史缺陷多，對其統(tǒng)一進(jìn)行了更換。在更換新引壓管后較短時(shí)間內(nèi)，3#海水泵出口壓力表引壓管重復(fù)出現(xiàn)管壁砂眼缺陷。分析原因，運(yùn)行期間管道受海水（秦山泥沙含量大）沖蝕，而支管焊縫部位存在幾何形狀畸變，容易沖刷導(dǎo)致焊縫穿孔滲漏失效。海水泵出口經(jīng)過彎管流向兩次改變，可能在小支管與母管連接處存在較嚴(yán)重的紊流。小支管焊縫內(nèi)壁無法實(shí)施有效涂層防腐，修復(fù)也比較困難，長時(shí)間海水腐蝕作用下，容易發(fā)生砂眼或穿孔，另外不排除安裝期間對于部分小支管焊縫可能會存在焊接質(zhì)量控制不嚴(yán)，焊縫存在夾渣、氣孔類等先天缺陷。目前，檢修采取的解決辦法是涂抹補(bǔ)縫劑，并用猴卡固定，后續(xù)觀察砂眼處是否繼續(xù)滲漏，這樣處理使得缺陷有繼續(xù)產(chǎn)生的可能。

海水泵各個(gè)部件材料不同，腐蝕效果也有差異。歷年解體大修時(shí)發(fā)現(xiàn)，除自由端部分區(qū)域完好以外，泵軸受海水腐蝕較為嚴(yán)重，鍍層有大量鼓泡和破損，鍵槽內(nèi)表面有黃色浮銹，局部分布有淺的腐蝕坑，坑內(nèi)為黑色，說明泵軸鍍層和基體金屬3CR13在海水環(huán)境中不耐磨，不耐腐蝕，初步判定由于葉輪軸孔端面與軸套端面間密封不嚴(yán)使得海水滲入，形成腐蝕環(huán)境，引起泵軸局部腐蝕。如泵軸斷裂，母管流量減少或喪失，機(jī)組有被迫降功率和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 備用海水泵啟動(dòng)異常

早在2015年主控啟動(dòng)3#海水泵，啟泵后無流量、電流只有10A，開大出口蝶閥無效果。遂即停泵再次充水放氣，就地反饋有氣放出，重啟后運(yùn)行正常。近年來，海水泵啟動(dòng)過程中喪失出力的事件共發(fā)生4次，該問題已被列入2018年度該核電站十大技術(shù)問題之一。

后維修，技術(shù)人員認(rèn)為造成海水泵備用狀態(tài)下啟動(dòng)無出力的直接原因?yàn)椋罕们贿M(jìn)入氣體。分析海水泵泵腔進(jìn)氣可能當(dāng)海水泵處于備用狀態(tài)時(shí)，如果與其處于同一通道的循泵正在運(yùn)行，由于海水泵的入口和泵體位置要高于循泵葉輪入口，此時(shí)流經(jīng)循泵入口的大流量海水在吸水室有一定的流速，會對海水泵吸入管口會產(chǎn)生一定的卷吸作用，導(dǎo)致水中微量的氣體緩慢積聚在海水泵吸入管口。

歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在正常情況下，該進(jìn)氣量微小，并不足以影響海水泵的啟動(dòng)（除3#海水泵外，其他泵未發(fā)生過類似現(xiàn)象）。而3#吸水室流通體積偏小，且同時(shí)布置有2臺海水泵與2臺循泵，所造成的效應(yīng)比1#、2#吸水室更為明顯。這一點(diǎn)在5#與6#循泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，海水泵所需的放氣時(shí)間明顯增加以及低潮位下，3#吸水室振動(dòng)偏大可以印證。3#海水泵與6#循泵所在的海水通道體積是最小的，且布置在廠房最邊緣，因此3#海水泵吸入口所受到的擾動(dòng)也是最大的。氣體積聚效應(yīng)被放大，泵體內(nèi)氣體達(dá)到一定量以后，發(fā)生啟動(dòng)時(shí)喪失出力的事件。

另外，循泵的反沖淤易造成海水泵出力不穩(wěn)，特別是低潮位下的反沖可能會造成擾流將氣體排入海水泵吸入口，所以目前運(yùn)行人員在反沖淤后為保險(xiǎn)起見需將3臺備用海水泵均進(jìn)行放氣操作。

1.3 海水泵機(jī)械密封失效

2020年配合2#EDG（B通道）帶載試驗(yàn)，主控啟動(dòng)4#海水泵，現(xiàn)場值班員檢查反饋海水泵自由端機(jī)械密封處漏水較大，呈線狀。主控遂即停運(yùn)4#海水泵，4#海水泵停運(yùn)后自由端機(jī)械密封處仍有泄漏（約2s一滴），后續(xù)聯(lián)系維修機(jī)械人員到現(xiàn)場再次啟動(dòng)4#海水泵確認(rèn)缺陷，現(xiàn)場反饋泵自由端機(jī)械密封處漏水呈線狀，判斷機(jī)械密封已損壞，停泵通知搶修處理。維修人員完成了4#海水泵解體更換機(jī)械密封工作，維修后試車合格。工作中發(fā)現(xiàn)自由端機(jī)械密封動(dòng)環(huán)座不回座是本次機(jī)封滲漏的直接原因。

根據(jù)4#海水泵解體檢修現(xiàn)場查看情況，發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)支架與動(dòng)環(huán)彈簧座卡澀造成動(dòng)環(huán)彈簧座不回座。仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)座表面被泥沙附著現(xiàn)象，動(dòng)環(huán)支架與動(dòng)環(huán)彈簧座之間的間隙內(nèi)有泥沙堆積的情況。

根據(jù)以上現(xiàn)象可推斷泥沙堆積在動(dòng)環(huán)支架與動(dòng)環(huán)彈簧座之間的間隙之中，導(dǎo)致彈簧座軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)存在卡澀現(xiàn)象，造成動(dòng)靜密封面形成張口，引發(fā)機(jī)械密封滲漏。海水泵機(jī)械密封冷卻水由開式工業(yè)水提供，每臺泵有單獨(dú)的支路，每臺泵冷卻水入口母管壓力根據(jù)運(yùn)行規(guī)程要求為0.2～0.3MPa，單臺海水泵冷卻水母管分為兩條支路，分別為機(jī)械密封水和軸承箱冷卻水，其中軸承箱冷卻水向地溝排放。

一旦海水泵冷卻水母管流量偏低或者斷流，這樣會使得整個(gè)冷卻水管線無法形成完整的背壓，可能造成機(jī)械密封水壓力下降，使得機(jī)械密封水不能充分注入機(jī)械密封，導(dǎo)致海水夾帶著泥沙在動(dòng)環(huán)座位置附著。對機(jī)械密封本體進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)動(dòng)環(huán)支架與動(dòng)環(huán)彈簧座之間的間隙僅有0.12mm，容易產(chǎn)生泥沙堆積現(xiàn)象。所以通過以上分析認(rèn)為：機(jī)械密封水不能充分注入機(jī)械密封，無法保證密封水的流動(dòng)性，動(dòng)環(huán)支架與動(dòng)環(huán)彈簧座之間的間隙小，是造成卡澀的原因。

2 運(yùn)行優(yōu)化的建議

2.1 模擬水力設(shè)計(jì)，改善材料性能

目前，在工程上可以使用三維湍流計(jì)算進(jìn)行離心泵流動(dòng)分析。重新設(shè)計(jì)泵的葉輪和導(dǎo)流部件，不僅可以滿足水泵性能要求，還可以保證過流部件中流體流速分布均勻，避免脫流和旋渦。提高對過流部件工藝要求，可以避免因葉片型線制作不準(zhǔn)確，或流道壁面粗糙，引起局部水流強(qiáng)烈擾動(dòng)和空化現(xiàn)象。另外，吸取國內(nèi)外水力機(jī)械防止泥沙沖刷腐蝕的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果，結(jié)合秦山地區(qū)實(shí)際的水質(zhì)條件，可以改進(jìn)海水泵現(xiàn)有密封方式，改善葉輪軸孔端面與軸套端面配合處的密封性能。對泵軸材料加以改善，如ZERON25或SR-4DX雙相不銹鋼等材料在國外先進(jìn)電廠均有引用的例子，能保證密封失效海水滲入的情況下泵軸仍有良好的工作狀態(tài)。

此外，海水泵出口短節(jié)法蘭端面腐蝕問題在某核電站的4臺海水泵出口管道上均有不同程度的存在，部分法蘭的密封面上也存在海水腐蝕，可能在運(yùn)行期間造成密封失效。海水泵出口短節(jié)材質(zhì)為低合金鋼10CrMoAl，因長期在潮濕環(huán)境中，管道短節(jié)每次大修都機(jī)械解體進(jìn)行防腐檢查，同時(shí)有針對性的整體防腐施工。由于短節(jié)密封面因長期受海水沖刷，部分表面產(chǎn)生凹坑和腐蝕產(chǎn)物，因海水管道為核三級管道，且有一定壓力，如果對密封面防腐，不但會破壞密封水線，而且因施工原因造成密封面表面不齊整，薄厚不均，影響管道密封，嚴(yán)重時(shí)會造成設(shè)備停運(yùn)，4臺海水泵出口短節(jié)均存在此問題。某核電廠安全管理討論會上已通過了對海水管道采取襯塑的工藝解決方案，然而介質(zhì)與材料的相容性，振動(dòng)等不利因素對于襯塑管道和配件的使用維護(hù)都有極大的考驗(yàn)。

2.2 改進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測手段

118大修在主控CB530盤設(shè)置循環(huán)水DCS控制站。DCS系統(tǒng)形成集中監(jiān)測與控制，對于分析設(shè)備故障提供有力的數(shù)據(jù)支持。然而對于海水泵的監(jiān)測不夠完善，無法集中提供電流、振動(dòng)、電機(jī)及軸承溫度，轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，對設(shè)備失效缺少參數(shù)變化趨勢的說明。近年來，該核電站一直采用預(yù)防性維修的體制，這種計(jì)劃檢修是在沒有對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析評價(jià)下決定的，存在一定的盲目性。如通過DCS系統(tǒng)輔助判斷電機(jī)振動(dòng)和溫度變化，就可在電機(jī)輕損期內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)，可修復(fù)性高，檢修周期短。因此，完善DCS對海水泵狀態(tài)的監(jiān)測手段，建立新的設(shè)備故障評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是提高電站設(shè)備可利用率和可靠性，延長設(shè)備使用壽命的一種明智選擇。

2.3 優(yōu)化管線布置，調(diào)整循泵運(yùn)行方式

結(jié)合現(xiàn)場條件及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化管線布置，對于維護(hù)海水泵組高效運(yùn)行意義重大。例如，減少支管閥門到母管管道長度，改進(jìn)管線走向或者結(jié)構(gòu)，母管引出部分采用帶法蘭的碳鋼短管，內(nèi)徑盡量做大，提供良好的機(jī)械支撐力，儀表部分采用316L不銹鋼法蘭與短節(jié)法蘭配對，法蘭盤與儀表管間通過焊接大小頭進(jìn)行變徑，使得儀表管的抗沖擊能力更強(qiáng)等。

118大修期間在每臺海水泵冷卻水管線上增加了一組Y型過濾器。定期清洗保證冷卻水進(jìn)水壓力和流量穩(wěn)定，但在清洗過程中造成機(jī)械密封水?dāng)嗔?，泥沙在?dòng)環(huán)座位置附著造成機(jī)械密封失效，所以可考慮并列增設(shè)另一組Y型過濾器，兩組過濾器增設(shè)前后截止閥，實(shí)現(xiàn)海水泵冷卻水不斷流清洗的目的。

另外，應(yīng)合理調(diào)整循泵運(yùn)行方式和切換時(shí)間，盡量避免5#與6#循泵同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)6#循泵運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先啟動(dòng)或確認(rèn)3#海水泵運(yùn)行，避免循泵在低潮位切換，易形成旋渦，卷吸的空氣隨海水以氣泡形式進(jìn)入海水泵內(nèi)，引起泵內(nèi)汽蝕。在海水泵啟動(dòng)過程的一段時(shí)間內(nèi)，因流動(dòng)阻力增加，會加劇汽蝕的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

結(jié)合其他電廠的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，核電站在不斷追求提升海水泵維修水平的同時(shí)，也應(yīng)嘗試改善海水泵各部件工藝性能。由于受電站取水口天然海水條件的影響和限制，要加強(qiáng)海水系統(tǒng)設(shè)備的巡視管理，同時(shí)通過海水泵常見問題的原因分析，拓寬運(yùn)行維護(hù)的思路，在日常運(yùn)行管理中合理優(yōu)化海水泵的運(yùn)行方式。通過上述幾個(gè)方面的工作可達(dá)到降低海水泵故障率，延長設(shè)備使用壽命的目的。