反应堆主泵轴密封

李林胜

（中核新能源莆田有限公司，福建 351100）

反应堆主泵轴密封

李林胜

（中核新能源莆田有限公司，福建 351100）

核反应堆主泵是一回路系统五大主设备之一，被喻为反应堆的心脏。其设计和制造难度大、要求高，世界上只有少数几个制造业发达国家才能生产主泵。本论文简要介绍核反应堆主泵的功能，主要结构，轴密封系统的构成、工作流程、原理和技术要点总结以及停车密封等内容。

反应堆；主泵；功能；结构；轴密封；技术特点

【前言】

在压水堆核电站中，反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）属于核反应堆冷却剂系统核岛主设备中的压力边界，并是唯一的转动设备，因此也被喻为反应堆的心脏，属于核Ι级安全泵，它直接关系着整个反应堆的运行状况和安全性能。同比核岛其他主设备，主泵在设计和制造工艺方面需求的技术水准更高，是衡量一个国家制造业水平高低的标准。主泵的运行条件非常苛刻，所泵送的介质是压力152bar、温度290℃的一回路冷却剂。考虑核安全和环保，要求主泵的泄漏量最小、运转可靠性最高，保证核电站长期运行的经济性。

目前世界上只有少数几个制造业发达国家能够生产先进的轴封式主泵。经过几十年的发展，轴封泵的设计和制造已经相当成熟。为保持领先地位，主泵发达国家一直在持续不断地提高主泵的设计、研发和制造水平。我国反应堆主泵的设计和制造水平与发达国家的差距非常大，主泵也是核岛五大主设备中唯一不能国产的设备。目前国内所有在运行和在建的核电站主泵全部是从国外采购的。为了更好地认识反应堆主泵，本文将主泵相关的部件和轴密封系统进行介绍。

一、主泵的功能

核反应堆主泵在不同的运行工况下发挥不同的作用，在反应堆正常运行时，冷却剂由核反应堆流出经主管道流进蒸发器，把热量传给二回路侧给水，然后再由主泵送回反应堆进行循环。在主系统充水时，可以利用主泵赶气；在由冷停堆向热停堆过度期间，利用主泵使一回路的介质循环升温，达到启动核反应堆的条件；主泵转子部件配置的大转动惯量飞轮来增加惰转时间，为确保全厂断电事故时堆芯燃料元件安全冷却提供短时间内的冷却剂循环流量，使其不致烧毁。

二、总体结构

主泵总体结构可分为三大部分。第一部分是水力机械部分，包括泵体、叶轮、泵轴承；第二部分是轴密封系统，轴密封系统是由三个串联的轴密封组件组成；第三部分是电动机部分，包括电动机下部径向轴承、电动机主体、止推轴承、上部径向轴承和惰转飞轮。

主泵运行时，一回路冷却剂由主泵底部泵壳入口吸入，水平方向排出。主泵叶轮一般设计成轴流式，过流部位设计成环形压水室。轴流式叶轮泵的内部组件须深深地插入泵壳的底部，所以泵的水力部件表面光洁度要求高。从水力部件安全性和运行期间的在役检查考虑，奥地利安德列茨主泵所有与反应堆冷却剂接触的部件和水力部件（叶轮和导叶）均由锻件制造而成，而且没有焊缝。

反应堆冷却剂沿泵轴的防泄漏，由三级串联布置的机械密封系统控制。压力略高于反应堆冷却剂压力的密封注入水，阻止冷却剂向上流入泵水导轴承和轴密封，并冷却水导轴承和密封部件。在可控制泄漏密封之后，密封泄漏液一部分被回收和排出；另一部分密封注入水流过两道串联布置的二、三级密封，并在这两道密封处通过高压和低压注入水泄漏管道排出。

三、轴密封

主泵轴密封，即对1490r/min转速和直径约为250mm的泵轴在承压部件的穿透点处必须进行密封，也即在主泵轴上装设轴密封。目前压水反应堆中常用的主泵轴密封多采用流体动压密封，即三级串联机械密封和一个停车密封组成。

1、三级串联机械密封

三级串联机械密封采用三级相同的流体动压式机械密封分摊密封压力。核电站RCV系统的离心式上充泵提供流量为2000L/h、压力为159bar，温度为50℃的高压轴密封注入水进入轴密封系统后，由于轴密封注入水的压力高于一回路系统压力，该注入水分成三个方向流动：一个流向以流量800L/h向下经过水润滑径向轴承进入到一回路系统内；另两个流向分别以流量600L/h向上进入二级机械密封和三级机械密封，其压力分别为108bar和53bar。该分向流是由节流器1、2、3、4来完成的。注入水经过节流器1压力降为108bar时，第一级轴密封前后端的压力差为51bar，此时第一级轴密封面的泄漏量为5L/h，其主要供密封面的润滑和散热作用。这5L/h的泄漏流量流到第二级轴密封前，压力已降为108bar。同样原理，经过2、3级密封和节流器的共同作用下，压力为159bar高压密封注入水的压力也降到2-3bar，分别注入核电站RCV系统，且从第三级轴密封密封面泄漏出来的5L/h泄漏流量流入低压泄漏系统。

通过以上分析，可以归纳总结出以下几点：

（1）轴密封注入水的压力约为16MPa，高于一回路系统压力，即可阻止带放射性冷却剂向上泄漏，也维持轴密封注入水系统的正常运转。

（2）每级密封均可以承受约为16MPa的整个系统压力。在实际运行中，整个系统压力和流量均等地分配到每个密封面上，使三级串联机械密封的每一级都是同等工况。

（3）最后一级密封（泄漏至大气压力）的最小压力应大于0.3MPa。

（4）每级密封面都设计了一定数值的低压泄漏流量，用于密封面的润滑和散热。如果低压泄漏流量太小，对密封面的散热和润滑不利，会影响密封寿命；如低压泄漏流量太大，则会增加对核电站低压泄漏系统的排液量。

2、停车密封

轴封系统中的三级串联机械密封每级均能承受全系统159bar的压力，但是事故工况下，可能引起三级密封全部失效，这样会使反应堆冷却剂大量泄漏在安全壳内，此时闭合停车密封，防止介质泄漏。

停车密封是在主泵不运转时才能闭合，且停车密封能承受全系统压力。停车密封同氮气供给系统相连接，并由该系统供给氮气。当主泵泵轴静止时，由氮气压力推动切换环至主泵转子的密封环上，于是泵轴完全密封。密封功能的多样化对于主泵来说是很重要的，面对外界某些影响，可能导致的全部三级或二级动压密封失效，抑或由于第一级密封的失效引起其后各级密封的失效的恶性工况下，停车密封将是防止冷却剂大量泄漏的安全屏障。

【结束语】

作为核反应堆冷却剂系统核岛主设备压力边界，主泵是唯一转动设备，也被形象地称作核反应堆的“心脏”。作为核岛关键设备，主泵的发展同样深受压水堆技术发展影响，伴随核反应堆整体水平进步，主泵技术也相应发展。主泵在设计和制造方面都有很高要求，且制造周期长，对核电站工期影响大，尤其是轴密封等核心部件国内尚无法生产制造。主泵的制造能力是衡量一个国家工业化水平的重要标准，只有在工业设计、制造、材料性能水平等全方面提高，同时与国外主泵技术先进国家合资成立公司共同研发制造，缩短时间，提高效率，才能早日获得突破，实现主泵国产化，降低设备造价，降低核电站投资成本，提高经济效益，造福本国企业和人民。

[1]陈捷，巴基斯坦恰希玛核电站主泵轴密封，水泵技术，2003.1

[2]机械密封原理，奥地利安德列茨公司资料

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[4]欧阳予，秦山核电工程，北京，原子能出版社，2000.2

[5]陈济东，大亚湾核电站系统及运行，北京，原子能出版社，1994.6

[6]张继革，反应堆主泵讲义，上海交通大学核科学与工程学院

[7]郭鹏，压水堆主冷却剂泵的发展，上海，2013.6

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