AHD40- 90 型蒸汽转换给水泵机械密封频繁泄漏分析及改进

陈坤池

（福建福清核电有限公司，福建 福州 350300）

蒸汽转换给水系统（简称STR 系统）是生产核电站所需的辅助蒸汽（汽压1.2MPa (a)，汽温188℃），并经辅助蒸汽分配系统（SVA）分配给各用汽点。STR 系统包含两台AHD40-90 型蒸汽转换给水泵（STR 泵）。该泵为双级单吸卧式离心泵，转速 2920r/min，流量为 40.7m3/h，扬程 161m，入口压力0.11MPa，出口压力为2.0MPa，介质温度约 130-140℃，采用 11-H75G115/45-00-NC 型非集装式机械密封，冲洗方案采用PLAN11+62 方案[1]。该泵自运行以来，机械密封频繁出现泄漏，据统计机械密封寿命约5～7 个月，检修率极高，严重影响设备长期稳定运行。

文章根据设备结构特点及现场故障情况分析了机械密封频繁泄漏的原因，同时针对故障点进行机封选型和密封水冲洗方案改进，指出了优化后取得的效果，提高设备的运行可靠性。

1 机械密封频繁泄漏原因分析

1.1 STR 泵机械密封简介

AHD40-90 型蒸汽转换给水泵采用11-H75G115/45-00-NC 型多弹簧单端面非集装式机械密封，驱动端与非驱动端各布置1 套，如图1所示。该机械密封静环材质为碳化硅，动环材质为石墨，辅助密封圈材质为三元乙丙橡胶，其余材料均为不锈钢。

图1 STR 泵机械密封布置示意图

机械密封辅助冷却系统采用了PLAN11+62方案，即包含从泵腔通过节流衬套流向密封腔室提供冷却水（图1 中序号2）；从泵出口引出一路冷却水（未带节流孔板）冷却机械密封密封面（图1 中序号1）；同时机械密封动静环夹套设置了外接冷却水以冷却动静环腔室温度（图1 中序号3）。

根据机组缺陷统计，在一年时间内，STR 机械密封共出现了8 次异常泄漏，寿命最短仅1 个月，最长约 5～7 个月。

1.2 STR 泵机械密封失效分析

通过对机械密封解体分析，发现每台故障机械密封故障点基本一致，机械密封动环存在严重冲刷导致密封失效，同时静环及轴套均发现有高温灼烧痕迹，见图2。

图2 机械密封故障情况

（1）从装配质量角度分析，现场多台机械密封发生泄漏且装配人员均经过培训上岗，因此可能性低，可排除。

（2）从密封环材料角度分析，改系统介质为清洁介质，密封环材料分别为碳石墨和SiC，碳石墨均有良好的自润滑性和低的摩擦因数、耐腐蚀、耐高温性能良好、导热性好且膨胀系数低[2]，适用于STR系统，可初步排除。

（3）从冲洗方案角度分析，根据设备结构及现场数据分析，由于机械密封使用了静环冷却、泵盖夹套冷却以及11 自冲洗方案，但11 方案的自冲洗管路不带节流孔板，且为单点冲洗冷却，同时动环石墨为软材料，进出口压差达1.89MPa，因此冲洗水流速大，小液滴强雷的压缩脉冲转到动环颈部位置引起周围面积强大的剪切变形，这种变形反复进行，引起疲劳破坏麻点，累积后造成动环被冲蚀损坏。同时由于流体介质温度高（130-140℃），泵入口压力极低（0.11MPa），因此造成密封面冲洗水在密封面腔室位置可能发生汽蚀现象，液膜变成汽液混合项，瞬间溢出大量蒸汽和气泡消失引起冲击破坏动环面。

综上可以确认机械密封失效主要原因为机械密封冲洗点及冲洗方案设计不合理导致频繁泄漏。

2 STR 泵机械密封改造

2.1 机械密封设计改进

由于原型号机械密封密封水冲洗点为单点冲洗，在高温高速介质冲洗下，长期运行后造成动环冲蚀损坏；因此对机械密封进行改进，在冲洗水口及动环之间，增加设置一个环状带孔的多点冲洗环，有效分散冷却水的冲刷。多点冲洗对比单点冲洗具有如下优点：冲洗水沿着密封环四周均匀分布，动静环变形小、散热好，密封端面介质稳定，有利于密封面润滑、冷却并提高相态稳定性和液膜稳定性。

2.2 机械密封冲洗方案改进

根据STR 泵运行工况和介质参数，对冲洗管路设计计算，增加了节流孔板，以降低流速，增加密封面液膜刚度。

同时考虑系统介质为高温水，根据API682 标准，将密封冲洗方案改造为PLAN21 方案；即在原有冲洗水管路增加了热交换器，降低冲洗水温度，如图3 所示。其优点是适用于高温工况，降低密封腔室温度，提高冲洗水的汽化温度裕量、克服辅助密封件的温度限制、提高密封的润滑性。此方案可有效解决冷却水温度过高导致密封面液膜汽化破坏动环的问题。

图3 机械密封冲洗水方案示意图

3 结 语

实施上述改进措施后，蒸汽转换给水泵2 年来未再发生机械密封异常泄漏问题，同时降低了检修人员维修工作量，减少了维修成本，提高了设备运行的可靠性。总结上述改进方案，得到以下结论：

（1）机械密封密封水冲洗点单点冲洗，在高温高速介质冲洗下，易造成密封面冲击破坏；选用多点冲洗，其冲洗水分布均匀、变形小、散热好，密封端面介质稳定，有利于密封面润滑、冷却并提高相态稳定性和液膜稳定性。

（2）高温工况下，机械密封冲洗水方案选用PLAN21 方案，有利于降低密封腔室温度，提高冲洗水的汽化温度裕量、克服辅助密封件的温度限制、提高密封的润滑性。