蘇州熱工研究院有限公司、國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)研究中心 王 位 張江紅 馬沂藎 黃立軍

1 REEP型進口機械密封的故障分析

某壓水堆核電廠2019年至2021年集中出現(xiàn)了壓力泵機封異常泄漏的問題，通過對現(xiàn)場使用過的REEP型機封拆解，可以確認RREP類型機械密封屬于單端面、平衡型、彈簧靜止式密封。摩擦副采用石墨/碳化硅配對，副密封采用乙丙橡膠O形圈；動環(huán)內(nèi)置于泵效環(huán)一并放置于軸套上，通過鍵傳動傳遞扭矩；泵效環(huán)驅(qū)動介質(zhì)于密封腔和換熱器之間循環(huán)，保護密封副免受溫度異常而損壞；靜環(huán)置于靜環(huán)座，彈簧均布于靜環(huán)座背面，一并內(nèi)置于壓蓋腔內(nèi)，并通過銷釘防轉(zhuǎn)；采用均布小彈簧提供彈力，保證摩擦副端面貼合，受力均勻；軸套與泵軸采用定位環(huán)和鎖緊螺母實現(xiàn)軸向固定和扭矩的傳遞；壓蓋與泵腔采用螺柱和螺母實現(xiàn)軸向固定。

1.1 故障現(xiàn)象描述

某壓水堆核電廠RREP類型機械密封運行期間，多次出現(xiàn)泄漏量異常升高，達到4L/h以上，甚至達到99L/h，引漏管內(nèi)有黑色水（含石墨粉）漏出。機械密封故障過程中常伴隨著密封腔溫度異常升高的現(xiàn)象。機封拆解后發(fā)現(xiàn)，密封副端面磨損異常，部分機封靜環(huán)（石墨環(huán)）凸臺（原設(shè)計值為2mm）已經(jīng)完全磨損，動環(huán)（碳化硅環(huán)）密封面有1～2mm深的不均勻磨損痕跡，有干摩擦的痕跡，部分機封碳化硅環(huán)已完全崩碎。靜環(huán)座浮動位置處有明顯摩擦痕跡[1]。

1.2 故障模式分析

機械密封通過彈簧力和介質(zhì)力的共同作用下，在泵運行過程中使密封動、靜環(huán)隨時保持貼合，進而阻止密封介質(zhì)泄漏，形成動態(tài)平衡。一般情況下，機械密封泄漏點包括：密封端面處泄漏；輔助密封O形圈處泄漏；密封環(huán)、金屬結(jié)構(gòu)件等出現(xiàn)孔隙、裂紋發(fā)生泄漏[2]。密封端面處泄漏原因。密封端面處發(fā)生泄漏一般是由于密封端面過度磨損，造成密封面損壞，無法起到密封作用；密封補償環(huán)追隨性差，密封端面無法貼合，進而泄漏；輔助密封處泄漏原因。密封輔助密封處發(fā)生泄漏一般是由于副密封在運行過程中發(fā)生磨損，造成橡膠損壞，發(fā)生泄漏；輔助密封本身缺陷；檢修時安裝不當造成副密封損壞；結(jié)構(gòu)件存在孔隙；裂紋發(fā)生泄漏原因。密封環(huán)孔隙、裂紋原因。材料本身缺陷、安裝不當造成密封環(huán)損壞；金屬結(jié)構(gòu)件孔隙、裂紋原因。材料本身缺陷、加工工藝不當。根據(jù)對機械密封故障模式的排查，總結(jié)出RREP類型機械密封設(shè)計上的不足和可能產(chǎn)生泄漏的原因見表1。

表1 機封泄漏模式排查過程

1.3 RREP機械密封故障原因總結(jié)

通過對原RREP機械密封的整體檢查和故障排查核實，發(fā)現(xiàn)其副密封及彈簧補償機構(gòu)正常，密封過度泄漏的直接原因是動環(huán)（碳化硅）的表面剝落崩碎，靜環(huán)（石墨）的嚴重磨損，其根本原因如下。

沖洗循環(huán)水流量不足。其由泵效環(huán)泵送介質(zhì)于密封腔和換熱器之間循環(huán)，所以根本原因為泵效環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠完善，不滿足泵效要求。該機械密封運行壓力為4.56MPa（Max），介質(zhì)溫度177℃，沖洗循環(huán)水流量不足將導(dǎo)致密封端面溫度升高，機械密封端面不能形成穩(wěn)定液膜，甚至在端面泄漏低壓側(cè)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，汽化半徑靠近外徑，造成端面液體潤滑區(qū)域面積過小，引起石墨環(huán)的磨損加重，產(chǎn)生大量的摩擦熱，惡性循環(huán)最終導(dǎo)致機封損壞。

密封環(huán)材質(zhì)性能不滿足現(xiàn)場使用要求。其中，機械密封靜環(huán)采用石墨環(huán)材質(zhì)，動環(huán)采用碳化硅環(huán)，抗彎強度及彈性模量較小且熱傳導(dǎo)性較差，在機封溫度高時靜環(huán)與動環(huán)接觸中石墨靜環(huán)容易產(chǎn)生變形、磨損，碳化硅環(huán)端面溫度過高則易導(dǎo)致剝落崩碎；金屬結(jié)構(gòu)件缺陷影響。彈簧加載墊圈在機組運行時在靜環(huán)座上微動，雖然彈簧加載墊圈外層包覆材料是復(fù)合材料，具有自潤滑性及較高的強度，但經(jīng)過一段時間的運行，靜環(huán)座上易被磨出痕跡，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，彈簧加載墊圈在某一瞬間容易卡滯在靜環(huán)座上，不能有效進行補償，將使動、靜環(huán)分開，引起泄漏量異常增大。

2 新型國產(chǎn)機械密封設(shè)計改進

2.1 新型機械密封設(shè)計思路

根據(jù)原進口的RREP類型機械密封故障分析研究，其泄漏主要原因是泵效環(huán)設(shè)計不合理，密封環(huán)材質(zhì)性能不滿足現(xiàn)場使用要求，金屬結(jié)構(gòu)件缺陷影響。雖然機封設(shè)計參數(shù)在正常范圍內(nèi)，但設(shè)計參數(shù)可以進一步優(yōu)化。結(jié)合原進口RREP機封使用經(jīng)驗，為國產(chǎn)機械密封提出如下優(yōu)化思路：泵效環(huán)修改為雙螺旋泵效環(huán)，增大沖洗循環(huán)水流量；在密封環(huán)上增加斜面槽，改善端面潤滑；副密封材質(zhì)修改為更適合高溫、高壓運行環(huán)境的全氟醚橡膠；在靜環(huán)座浮動位置處噴涂WC涂層，增加耐磨性。

2.2 新型國產(chǎn)密封與原進口密封對比

通過機械密封性能檢測和計算，并與新型國產(chǎn)水泵機械密封設(shè)計參數(shù)比較，新型國產(chǎn)機械密封與原進口RREP機封對比整體設(shè)計參數(shù)（見表2）在合理范圍內(nèi)，性能略優(yōu)。

表2 機械密封設(shè)計參數(shù)對比表（一般推薦端面比壓）

2.2.1 機械密封總摩擦功耗對比（見表3）

表3 機械密封端面摩擦熱對比表

對于接觸式機械密封的端面摩擦熱為：QF=fPCAf×Af[1]，其中：f為摩擦系數(shù)，接觸式密封，動環(huán)石墨材料，靜環(huán)碳化硅材料f=0.02，由于設(shè)計端面開有潤滑槽，需要考慮1.5倍安全系數(shù)，取f=0.03。Af為密封端面面積，m2；PC為密封端面比壓，N/m2；V為密封端面平均速度，m/s。

因無法精確計算原進口RREP機械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此合并參考國產(chǎn)機械密封的密封攪拌熱的計算。對于接觸式機械密封的端面旋轉(zhuǎn)時的攪拌熱為：，其中：L為流道特征長度；L=0.0955m；R為流道特征半徑；D2=0.147m，D1=0.19m；R=（D2+D1）/4=0.084m；V3為旋轉(zhuǎn)件外圓周速，m/s；V3=3.14×0.19×4775=47.5m/s；ρ為密封腔內(nèi)液體的密度，kg/m3，對于水，ρ=1000kg/m3；CM為損耗系數(shù)。CM=0.65（c/R）0.3Rec-0.2，(104＜ReC時）。

決定流動狀態(tài)的雷諾數(shù)為：ReC=VSCρ/μ，式中：c為密封腔間隙，m；c=（DS-DC）/2=0.0005m；DS為密封腔內(nèi)徑，m；DS=0.191m；DC為旋轉(zhuǎn)件外徑，m；DC=0.19m；μ為液體動力粘度，Pa·s；常溫時，μ=1×10-3Pa·s；當雷諾數(shù)ReC＞2000，流動處于紊流狀態(tài)；反之，流體處于層流狀態(tài)。綜合計算密封攪拌發(fā)熱：QA=25.12kW。

2.2.2 最小沖洗流量對比

為了控制密封端面溫度，一般采取沖洗措施來改善密封的工作環(huán)境，延長密封的使用壽命。確定密封的沖洗量時應(yīng)考慮到端面摩擦熱和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌熱，設(shè)定允許溫升條件下將這些熱量帶走?？梢酝ㄟ^計算密封產(chǎn)生熱量來確定密封最小沖洗流量。

機械密封的發(fā)熱量等于機械密封總摩擦功耗與傳導(dǎo)熱量之和，即P=Q(總摩擦功耗)+Qhs(傳導(dǎo)熱量)由API682標準，密封沖洗介質(zhì)的溫升可以由以下公式進行計算：ΔT=60000×P/d×qinj×CP，其中：P為密封端面產(chǎn)生的熱量，kW；Qhs（傳導(dǎo)熱量）=U×A×Db×ΔT（其中：U×A=0.00025；Db密封平衡直徑；ΔT=177-85=92℃）；d為泵溫下沖洗流體的比重；qinj為沖洗流體流量，L/min；CP為泵溫下沖洗流體的比容，J/（kg·K）；按經(jīng)驗選取密封室正常工作溫度：75～85℃，沖洗液出、入口溫差：ΔT=16℃（對于沖洗方案23的隔離/緩沖流體，最大溫升應(yīng)限制在16℃），常溫水為Cp=4.174kJ/（kg·K），d=0.985[3]。其中，RREP類型機械密封所需最小沖洗流量qinj30.5kW，國產(chǎn)機械密封所需最小沖洗流量qinj29.1kW。

由于泵效流量會根據(jù)現(xiàn)場管線、換熱器管阻等影響大幅減小，現(xiàn)場運行和試驗臺架運轉(zhuǎn)對比，RREP類型機械密封泵效循環(huán)流量約為18L/min，國產(chǎn)改進型機械密封雙螺旋泵效循環(huán)流程約為40L/min，國產(chǎn)改進型機械密封泵效循環(huán)流量明顯大于所需的最小沖洗流量。

2.2.3 其他

密封端面設(shè)計對比。國產(chǎn)改進型機械密封通過密封環(huán)端面增加斜面槽的方法增大密封開啟力，改善了端面潤滑，降低端面磨損。假設(shè)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、假設(shè)膜厚一定的情況下，應(yīng)用FTSI軟件計算結(jié)果，對比不同槽數(shù)的端面壓力（開啟力（N））分布如下：2/50.72、3/289.24、4/437.80、5/514.09、6/556.12、7/581.87。

靜環(huán)座浮動位置工藝對比。針對RREP類型機械密封運行后靜環(huán)座浮動位置處產(chǎn)生磨痕的問題，國產(chǎn)改進型機械密封在靜環(huán)座浮動位置處噴涂WC涂層，涂層顯微硬度HV0.3900，抗拉強度≥65MPa，孔隙率≤1.5%，具有耐磨損的特點，可以更有效控制彈簧加載墊圈在靜環(huán)座微動過程中生成磨痕。

密封環(huán)材質(zhì)對比。國產(chǎn)新型機械密封靜環(huán)采用碳化硅材質(zhì)，即碳化硅石墨復(fù)合材料，主要由石墨（30%～50%）、碳化硅（45%～65%）以及少量的硅（＜15%）組成。同時具有碳化硅硬度高，機械強度高、耐磨性和石墨的自潤滑性能與抗熱震性能。

新型國產(chǎn)機械密封在密封環(huán)端面開設(shè)有斜槽，增加了密封的潤滑性能，有效地降低了機械密封在高溫度運行工況下的磨損；在螺旋套和壓蓋之間設(shè)計為雙螺旋結(jié)構(gòu)，有效提高了密封的泵送能力，提高換熱效率降低了密封副的溫度，改善運行環(huán)境；在推環(huán)與C形圈配合處采用噴涂硬質(zhì)金工藝，有效提高其耐磨性能并降低其粗糙度，在主給水泵運行過程中，推環(huán)和C形圈僅相互做微浮動運動；將靜環(huán)的石墨材質(zhì)替換為硅化石墨，在保持原有自潤滑性能與抗熱震性能的前提下提高機械強度、耐磨性；明顯提高原機械密封壽命。此機械密封裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)不僅考慮了機械密封在穩(wěn)定工況和變條件下的對端面形的影響，同時也考慮了機械密封端面的潤滑和冷卻措施，并且還考慮了副密封處對密封端面追隨性的影響。