主热传输泵轴封失效诊断与响应

张晓晖　秦川　王宁宁

张晓晖 秦川 王宁宁

中核核电运行管理有限公司 浙江 嘉兴 314300

摘要：主热传输泵运行在主热传输系统高温、高压的环境下，主热传输泵轴封性能的好坏将直接影响主热传输泵是否可以维持运行，甚至可能导致发生重水泄漏的严重后果。本论文从主热传输泵轴封的结构特点出发，基于实际事故工况下的参数变化和系统设备响应，分析发生的主热传输泵机械密封失效故障工况的机理和现象、以及故障可能导致的后果，并给出响应方案。

关键词 主泵轴封;失效;诊断;响应

Failure Diagnosis and Response of Main Heat Transfer Pump Shaft Seal

ZHANG Xiaohui QIN Chuan WANG Ningning

（CNNC Nuclear Power Operations Management Co.Ltd， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China ）

Abstract： The main heat transfer pump operates in the high temperature and high pressure environment of the main heat transfer system. The performance of the shaft seal of the main heat transfer pump will directly affect whether the main heat transfer pump can maintain its operation， and may even lead to serious consequences of heavy water leakage. Based on the structural characteristics of the shaft seal of the main heat transfer pump， this paper analyzes the mechanism and phenomenon of the failure of the mechanical seal of the main heat transfer pump， and the possible consequences of the failure， and gives the response scheme.

Key Words： Main pump shaft seal; Failure; Diagnosis; Response

概述

秦山第三核電厂是从加拿大引进的CANDU-6型核电厂，是采用重水作为慢化剂和冷却剂的天然铀反应堆。正常运行时，依靠主热传输泵运转所提供的驱动压头来维持冷却剂的循环流量，从而为堆芯燃料提供冷却，同时将燃料裂变产生的热能带到蒸汽发生器并传给二次侧的轻水产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电^[1]。主热传输泵（以下简称主泵）是单级单吸双排立式离心泵，由一台额定功率为6.7MWe的鼠笼感应电机驱动，设计流量2227.59 l/s，扬程215 m，转速1500 rpm，工作压力9.5-11MPa，工作温度260℃，泵体内仅有一组水润滑导轴承。密封形式为三级机械密封带后备密封，型号 Sulzer Bingham RV850，每一道机械密封包含一个动环和一个静环，每两个动静环部件之间会相互摩擦发热，需要流量恒定的冷却水连续对其进行冷却^[2]。

主泵轴封主要结构介绍

在主泵大轴上，由下到上有泵主叶轮、轴套、轴承、辅助叶轮、轴封组件等，然后通过联轴器与主泵电机轴相连接。其中，实现密封功能的是一套安装在轴封腔内的轴封组件，它是一套预先组装好的整体组件，可以整体拆装。轴封组件包括有备用密封、3道机械密封、减压盘管等主要零部件。

辅助叶轮

辅助叶轮由一个无头螺杆构成，安装在轴承上方的泵轴上。辅助叶轮的作用是当泵运转时形成向下的强迫循环流量，为轴承提供冷却和润滑，同时保证高温高压的冷却剂不会直接沿泵轴向上流动，进入机械密封腔和机械密封而导致密封损坏。

机械密封

每台主泵有3道机械密封，它们串联排列在主泵大轴的轴套上。

每道机械密封包括一个静环和一个动环，动环依靠弹簧沿轴向的作用力与静环紧密贴合在一起，从而起到密封功能阻止泄漏。在主泵运行时，依靠轴封注入流的正常供给，静环和动环之间形成高压液膜，以保证润滑和冷却。静环和密封腔之间安装有两道“O”型圈密封，以阻止轴封注入流旁通减压盘管直接泄漏到下一级密封腔。设计上，三道机械密封平均承担主热传输系统压力，但是在异常工况下（如机械密封发生失效），每道机械密封能承受整个主热传输系统的压力^[3]。

备用密封

在第三级机械密封后面，安装有一道备用密封。备用密封由互相连锁的碳组件构成，这些组件沿轴向向上由弹簧支撑，然后被压盖固定。备用密封设计上能承受整个主热传输系统的压力，并在发生三道机械密封失效的异常工况下，在主泵停运后能减少冷却剂泄漏。

密封腔和减压盘管

在每道机械密封前各有一个密封腔，主泵轴封注入的冷却水一部分向下通过辅助叶轮后形成循环和进入主热传输系统，另一部分流量向上依次通过三道密封腔后，再通过轴封回流阀（3334-PV5～8）返回重水储存箱（3333-TK1）。在前后级密封腔之间通过减压盘管降压，三道盘管平均分配主热传输系统的压力到三个密封腔内，使三道机械密封平均分担压力。

轴封回流阀3334-PV5～PV8

轴封回流阀是一种气动截止阀，带有波纹管阀杆密封。当主泵运行时，轴封回流阀是打开的，轴封冷却水依次冷却三道机械密封后返回重水储存箱;当主泵停止运行，大约延迟一分钟后，轴封回流阀降自动关闭。在主泵电机断路器断开一分钟以后，轴封回流阀自动关闭。^[4]

机械密封失效事件诊断及响应

事件描述

2014年6月14日晚21时左右，秦三厂1号机组3#主泵机械密封回流水温度出现波动，从60℃上升到最高79℃，同时伴随着机械密封三级压差的同步波动，波动幅度在0.3MPa左右。且现场发现该泵机械密封引漏管线内的流量增大^[5]。2014年6月15日零时该泵的第三级机械密封压差从正常的3.3MPa左右突然降低至0.8MPa左右，据此确认该泵第三级机械密封失效，随后根据运行规程执行停堆、停泵操作。2014年6月17日1号更换了失效的机械密封。系统恢复后，机组重新启动，3#主泵机械密封以及其他运行参数全部恢复正常水平^[6]。

事件诊断

主控人员检查主泵轴封参数发现3#主泵三级机械密封压差出现小幅连续波动，机械密封回流水温度在60℃与79℃之间波动，立即令现场操作人员检查并持续监视3#主泵机械密封引漏管线内的泄漏流量，现场人员汇报3#主泵对应引漏管流量增大，略带压力。主控人员根据机械密封失效工况机理和现象，初步判定3#主泵三级机械密封失效^[7]。

事件响应

在观测到3#主泵第三级机械密封压差下从3.3MPa降到0.9MPa左右，第一、第二级机械密封压差由3.0MPa上升到4.2MPa左右，确定3#主泵第三级机械密封失效，执行停堆降功率操作，停运3#主泵，主系统降压至200kPa，机组进入非常低功率冷态泄压模式4运行，之后主系统进入低水位模式运行。^[8][9]维修人员对缺陷的3#主泵机械密封进行了整体更换。系统恢复后，机组重新启动，经过检查，更换后的3#主泵机械密封工作状态正常，3#主泵各项参数稳定，至此，3#主泵机械密封缺陷已经确认消除。

第三级机械密封失效发生前后3#主泵相关参数如图3-1，机械密封回流水温度（紫色曲线）波动伴随着各级机械密封压差的波动（绿色、蓝色、黄色），最终机械密封第三级密封压差下降到0.9MPa左右，确认第三级机械密封失效^[10]。

（1）水中杂质导致密封面损坏的可能性：

主热传输系统水质有严格的控制，主热传输净化系统装备有5μm的过滤器，去除系统杂质。在此基础上，主热传输泵的轴封系统单独配有5μm的过滤器，专门用于除去主泵轴封供水系统中的杂质，以保证主泵机械密封长期稳定运行。3#主泵失效前后，轴封过滤器压差无波动，且轴封过滤器按正常周期进行更换，不存在破损的可能^[11]。

（2）机械密封本身损坏的可能性：

大修启动期间，根据预防性维修计划更换了3#主泵的机械密封。为减少机械密封的正常泄漏量，3#主泵机械密封的密封弹簧压缩量调节偏紧，导致系统升温升压期间该泵的机械密封回流水出现了高温。机械密封动环在出现高温时仍然被50摄氏度左右的密封冷却水不断冷却，造成机械密封动环表面出现了龟裂。经过现场调整机械密封弹簧压缩量后，3#主泵投入运行，其三级机械密封的密封压差有一定波动，波动在两天后消失，3#主泵机械密封各项参数均恢复正常^[12]。

結论

经分析，本次事件中3#主泵第三级机械密封失效原因是由于系统多次启停，加速了第三级机械密封缺陷动环表面龟裂的增加和扩展，并最终导致机械密封动环表面材料脱落，破坏机械密封动、静环密封面，使得密封副丧失密封能力。加之，对动环材料的特性认识不足，初次缺陷出现后未能识别内在的可能缺陷，导致机械密封长期缺陷运行并最终失效。

通过此次事件，要进行一下工作：1）对于主泵机械密封的性能状况需要得到足够的监视和重视，当发生失效时必须正确响应防止故障恶化而可能造成的LOCA事故;2）应用保守策略，在有效时间窗口安排机械密封的更换检查。

参考文献

[1]98-33100-DM-000 Primary Heat Transport System Design Manual（秦山三核系统设计手册）

[2]98-33340-DM-000 Gland Seal Cooling Unit Design Man<！-- 参考文献至少6条 全部为近五年内其中包括近两年内两条 -->ual（秦山三核系统设计手册）

[3]98-33122-9022-MM-A Pump Installation， Operation and Maintenance Manual（主热传输泵安装、运行和维修手册）

[4]HQ-7-33340 MAIN PUMP GLAND INJECTION SYSTEM （Gentilly-2电厂系统培训教材）

[5] 刘志勇，秦山第三核电厂1号机组3#主泵第三级机械密封失效导致机组停堆事件报告

[6] 莫芝宁，主热传输系统及其辅助系统98-33000-TPOPOM-0001，2020

[7]陈兴江，张翊勋，丛国辉，罗志远.主泵轴封应急注入水系统技术现状与应用分析[J].流体机械，2019，47（03）：58-62+12.

[8]刘红玉.主泵轴封注入系统风险分析及处理措施[J].科技视界，2019（05）：125-126.

[9]吴琦，刘雪林.某项目主泵轴封水管线固定点设计优化[J].压力容器，2018，35（02）：29-34+12.

[10]张明.核电厂SEN系统立式混流主泵轴封冲洗优化研究[J].化工设备与管道，2019，56（06）：54-58.

[11]韩惠东. 基于PLC核主泵试验台测控系统设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2019.

[12]肖胜，周涛，胡成，许鹏.核电站主泵常见故障分析及检修[J].黑龙江电力，2020，42（06）：533-537.