核电厂氢气密封油泵性能下降原因分析

邱 波，王玉彬，陈 松，李开盈，王 旭

（中核核电运行管理有限公司技术二处，浙江嘉兴 314300）

0 引言

秦山第二核电厂（以下简称秦二厂）发电机密封油系统（GHE）的功能是向发电机轴封装置连续不断地提供密封油、以防止发电机转子和定子铁芯等部件冷却介质氢气的泄漏，并阻止大气中的污染物进入氢气中，以保持氢气的纯度。密封油依靠GHE 系统中的密封油泵提供。

秦二厂3 号机GHE 系统2015 年8 月份先后4 次出现密封油压异常波动现象。发电机补氢后，GHE 系统空、氢侧油压出现明显波动，波动一段时间后，氢侧密封油压突然从839 kPa 下降至710 kPa，而后空、氢侧油压摆动程度加剧。

GHE 系统空氢两侧密封油压波动及氢侧油压大幅下降反复出现，会削弱GHE 系统密封功能，引起氢气泄漏量增大，增加机组运行风险。其次，氢侧密封油压突降，会使湿度较大的空侧密封油向氢侧泄漏，降低发电机的绝缘和防腐性能，GHE 系统的油压波动对机组运行构成较大威胁。

秦二厂在后续大修中，对该问题进行了分析和解决。

1 密封油泵

秦二厂3、4 号机组氢气交流密封油泵为螺杆泵，采用的是黄山工业泵制造有限公司的HSNH80-46NZ型三螺杆泵（图1），核心部件为一根主动螺杆，两根从动螺杆，三者并排啮合布置在衬套内；衬套安装在泵体中，两端由后、前端盖以及轴承、机封等零件组成。

图1 HSNH80-46NZ型三螺杆泵结构

当主动螺杆在电机带动下旋转，螺杆螺旋槽周期性打开，吸入腔的容积增大，形成真空，介质由吸入口被吸入螺旋槽内，并被螺旋槽密封住，随着螺杆的旋转，介质随螺旋槽沿螺杆轴线向出口移动，最后介质被排出泵外（图2）。从吸入口到出口分成低压区和高压区，高压区和低压区靠衬套中部O 形圈分隔。为防止出口意外堵塞而超压，泵体上部安装一台FAZ-01型安全阀，定值为1.17 MPa，可以通过调整螺钉来调节设定压力。

图2 三螺杆泵工作原理

2 密封油泵性能下降原因分析

2.1 性能试验

为查找泵性能下降原因，将泵从现场原样拆下后进行试验（图3）。

图3 泵性能试验

对泵不作任何变动，只调整泵本体安全阀调整螺钉不同伸出长度，对泵进行运转和性能试验，试验数据见表1，其中序号1试验长度为现场未作改动长度。

表1 泵性能试验数据

从试验数据可以看出：

（1）设定的测试压力值1，不同长度均可以达到，而且流量基本相同。

（2）设定的测试压力值2，序号1 初始长度无法达到，且出口流量为0。

（3）设定的测试压力值2，序号2、3、4 均可以达到，出口流量基本相同，但无法达到1.0 MPa 下的额定流量78.3 L/min。

在序号1 试验测试压力值2 时，压力达到0.9 MPa 后缓慢上升至极限值0.96 MPa，随后压力迅速回落至0.87 MPa，而序号2、3、4 试验能够稳定到达1.0 MPa，怀疑泵本体安全阀发生了动作。序号2、3、4 都达到了1.0 MPa 的压力，且稳定，此时安全阀定值应该均大于1.0 MPa，未发生动作，但其流量却仍然无法达到要求，说明除了安全阀产生动作的因素外，还存在其他的影响因素。

2.2 解体检查

根据性能试验结果，怀疑泵的性能下降还有其他影响因素，决定对密封油泵进行解体，解体后发现两处异常。

2.2.1 垫片差异

机械密封冷却油路密封垫与原厂密封垫不同，图4a）为原厂垫片，图4b）为电厂自制垫片。可以看出，原厂垫片除螺栓孔外还有一处开孔，而现场自制垫片对开孔进行了简单豁口处理。

图4 垫片对比

2.2.2 泵腔高低压区分界O 形圈

从图5 可以看出，拆下的O型圈老化变形严重，截面已变成方形。

图5 失效O 形圈

2.2.3 差异项分析

根据螺杆泵的结构将其简化，如图6 所示。螺杆泵运行过程中，出口高压腔处内的高压油一部分会通过主动转子外径与衬套间的缝隙流入轴承和机械密封所在腔区域，当垫片存在豁口时，即图中云线部分的密封作用失去，一部分油会由此处经回油通道、回油管返回到入口低压腔区，造成出口流量下降。同样，机封腔泄压阀同样也会存在该问题，但在解体检查中未发现异常。

图6 HSNH80-46NZ型三螺杆泵简化示意图

高低压区分界O 形圈作为高压腔区和低压腔区的分隔密封，如果失效，高压腔油回流至低压腔区，造成出口流量下降。

2.3 差异项试验

为验证解体中发现的问题，将泵本体安全阀定值调整到原始1.17 MPa 后回装，并更换泵上的机械密封冷却油路密封垫及高低压区分界O 形圈，再次进行测试，测试结果显示泵的流量有很大程度的好转，1 MPa 额定压力下流量稳定在79 L/min，说明密封垫或O 形圈对性能产生影响。

2.3.1 垫片验证试验

将机械密封冷却油路密封垫制成绿色垫片的大豁口，安装新的分界O 形圈回装后进行了试验，测试结果显示泵的流量符合要求，1 MPa 额定压力下流量稳定在79 L/min。

分析认为垫片厚度仅为1mm 左右，豁口后形成的泄漏口造成的流量下降微小。因此，排除垫片影响，泵流量性能下降的另一个原因为O 形密封圈失效造成。

2.3.2 失效O 形圈分析

失效O 形圈的尺寸为97.5 mm（内径）×3.55 mm（直径），材质为EPDM（三元乙丙）。而厂家推荐用的O 形圈尺寸为105 mm（外径）×3.1 mm（直径），材质为丁晴橡胶。经分析，现场用O 形圈的材质和尺寸不适用于现场的泵。

材质方面，三元乙丙（EPDM）为乙烯，丙烯和非共轭二烯烃的三元共聚物，具有较好的耐老化和耐腐蚀性，但其分子结构决定了其易与矿物基油发生物理膨化，在矿物基油中稳定性较差。而现场GHE 密封油牌号为美孚DTE 732 无锌，属于矿物基油。

尺寸方面，现场使用的O 形圈，尺寸为97.5 mm（内径）×3.55 mm（直径），根据相关标准，该O 形圈适用沟槽宽度b=4.8 mm，沟槽深度为t=2.9 mm 的O 形圈 槽，b、t 尺寸如图7 所示。泵实际O 形圈槽尺寸为b=4.1 mm，t=2.4 mm。可见现场使用的密封圈直径偏大，将导致密封圈的压缩量增大，进一步加快了O 形圈的老化。根据槽深×1.2=O 形圈线径，槽宽一般为线径的1.3 倍计算，实际O 形圈槽适合的线径应为3.1 mm，与厂家提供的尺寸相符。

图7 径向密封的活塞密封沟槽

3 结论

通过以上的分析，发现此次密封油泵性能下降的根本原因是泵体泄压阀定值偏离及泵腔高低压分隔区O 形圈使用不当。在对安全阀定值重新整定及更换原设计使用的O 形圈后，泵性能恢复，至今现场运行近3 年未再发生过该缺陷。