核电站一回路上充泵密封故障分析与处理

牛培宇，孙忠志，杨运忠，李明玖，李 健

（江苏核电有限公司维修二处，江苏连云港 222042）

0 引言

某核电站3/4号机组化学和容积控制（KBA）系统主要转动设备为小流量上充泵，结构形式为卧式三柱塞曲柄连杆型容积泵，每台机组共有KBA51/52/53AP001三台泵，一用一备一应急。安全等级3H，质保等级QA2，抗震等级Ⅱ，该泵由电机、齿轮箱、曲轴箱和液压缸体组成，主要参数见表1。

表1 小流量上充泵主要参数

小流量上充泵KBA51/52/53AP001的主要功能：①在反应堆“加热”“冷却”工况下投入运行，维持冷却剂在KBA系统内的循环；②在一回路水压试验时提升一回路压力至17.6 MPa；③在调硼工况以及发生一回路泄漏事故工况下投入运行，向一回路输送硼酸溶液或纯凝结水；④在功率运行期间维持“上充”工况；⑤主泵独立回路的应急喷淋。

该系统泵的运行情况密切关系到机组的安全可靠运行，但自从安装调试期间起，该系统泵一直存在密封组件寿命短导致介质频繁泄漏超标等缺陷，无法长期稳定连续运行，直接影响机组建设工程节点和安全运行。

1 小流量上充泵结构组成

小流量上充泵由电机、齿轮箱、曲轴箱、液压缸体组成（图1）。电机通过齿轮箱连接曲轴并传递扭矩，曲轴和连杆大头轴瓦连接，连杆小头轴瓦通过圆柱销和十字滑块连接，将曲轴的圆周运动转化为十字滑块的往复直线运动。十字滑块端部连接由球头连杆、连接头、柱塞组成的轴系，最终使柱塞进行往复运动，见图2。

图1 小流量上充泵俯视图

图2 小流量上充泵结构组成

每台泵包含3组液压缸，液压缸内密封件和柱塞形成密封组件密封介质和冷却水，其内部密封组件布置方案见图3。

图3 液压缸密封组件布置

每个液压缸共在5个位置依次设置3-2-2-3-7共计17个唇形密封圈，将液压缸内分成5个区域，从左向右依次为：①柱塞冷却水外漏引流的敞口区域；②柱塞冷却水区域（A）；③柱塞冷却水内漏引流区域（B）；④一回路介质内漏引流区域（C）；⑤一回路介质区域（D）。

唇形密封结构形式可以压紧变形，位于缸体左侧的两个压盖可以调整密封组件的压紧力。旋紧大压盖后将推入冷却水缸套，进而压紧一回路侧的7个唇形密封，调增一回路侧密封性；旋紧小压盖后将直接将压紧力传递至3-2-2-3等4组冷却水侧的密封件上，调整冷却水侧密封性。

用于密封一回路的7个唇形密封处设置弹簧提供预压紧力，保证唇形密封产生变形配合柱塞进行密封，每根柱塞设置两处滑动导轴承进行径向限位。

2 缺陷描述

密封件采用唇形密封（图4），材料为F4PM20（Ф4К20）,为俄罗斯厂家提供的一种氟塑料并添加填充物，唇形密封的密封原理是依靠装填在密封腔体中的预紧压力，使其唇边紧贴密封腔体和柱塞，阻塞泄漏通道而获得密封效果。唇形开口需要朝向高压方向，在压力作用下更加贴紧内、外表面，从而增强密封效果。如需要进一步增强自密封性，安装时需要进行预紧，产生径向的膨胀变形，挤紧柱塞实现密封。

图4 唇形密封结构及工作原理

通过2017—2018年期间多台泵的运行和验证，密封组件的使用寿命只有15～20 d，无法满足运维手册中明确的密封累计使用寿命不低于1000 h（约42 d）的要求。

3 缺陷分析

3.1 原因分析

经查阅文献和梳理，影响柱塞泵密封寿命的因素较多。

（1）柱塞作为运动部件，在密封件上做摩擦往复运动，要求柱塞表面有足够的光洁度和硬度。较高的光洁度可以减少摩擦力，减少发热，同时也需要保持一定的硬度，避免被填料快速磨损，磨损会增大摩擦力，进一步导致发热和磨损。

（2）泄漏量和预压紧力平方成反比，但预压紧力和摩擦力成正比。压紧力过小，泄漏量过大，长时间带压泄漏将会损伤密封件；若压紧力过大，也会造成上述的发热问题，如大量生热，密封件会产生粘连、焦灼、叠层、扭曲、错移、挤压飞边等损坏。

（3）密封材料是决定密封寿命的关键，密封材料应具有耐磨性好、耐冲击性好、耐热性好、适当的韧性及一定的强度，同时在超高压力作用下材料不会改性且最好具有一定的自润滑性。密封组件材料在承受高压力挤压的同时，由于配合零件之间存在间隙，柱塞运动轨迹并非理想直线，密封组件会承受较大的扭曲力，选用高柔韧性材料加工密封，能很好地解决材料的开裂问题。但过多地考虑材料的韧性，较软材料在高压作用下，密封会发生挤压变形，尤其是密封唇部结构形状变化后，改变了原始设计配合关系，见表2。同时，密封材料在超高压作用下会受到压缩，产生较大的轴向位移间隙，极短的时间就发生密封失效。

表2 不同材料失效形式

（4）影响密封失效的主要因素（图5）

图5 影响密封失效的主要因素

3.2 原因排查

通过现场检查、参数对比，对密封失效因素进行排查。

（1）柱塞表面粗糙度0.2，且进行表面处理以提高硬度，每次拆卸检查柱塞表面，如果是新更换的柱塞，运行一个周期基本上没有明显划痕，多次运行后柱塞才存在较浅划痕，且新更换柱塞后运行，唇形密封的使用周期同样只能运行15～20 d。可排除柱塞材质和粗糙度因素。

（2）柱塞线速度可以转换成为泵的出口流量进行评价。柱塞线速度设计范围为45～225 r/min，但大部分工况都在50%额定流量即112 r/min以下的中低速度运行，工况相对稳定（图6），且属于无法进行更改的参数。可排除柱塞线速度因素。

（3）密封预压紧力由弹簧提供，拆卸过程使用不同尺寸的调整环可调整预压紧力的大小（安装后预压紧力无法调整），前期拆卸过程没有对厂家提供的调整环进行对比，均为直接安装，可能存在预压紧力不合适的情况。密封预压紧力为可能因素。

（4）3/4号机组密封件和1/2号机组上充泵使用的密封件相同，材质为俄供氟塑料F4PM20（Ф4К20），一期的使用寿命目前普遍为30～40 d，略高于3/4号机组，但也不满足运维手册要求。密封件材质特性为可能因素。

（5）泵自带安全阀，安全阀的介入压力为16.7 MPa，避免超压损伤设备及密封件。查询参数，泵出口介质压力一直保持额定压力15.7 MPa，参数比较稳定，安全阀起跳压力和实际运行压力均小于泵最大允许工作压力19.6 MPa。可排除介质压力因素。

（6）经查询对比泵的一回路侧泄漏曲线和介质温度曲线（图6）发现，泄漏量和柱塞频率入口介质温度有正向对应耦合关系，由于入口介质温度因受上游除气器不定期工作投用的影响，会在60～104℃范围内波动。相比在104℃的额定介质温度工况下，当介质入口温度在60～70℃时，泄漏量大幅降低，随着温度升高时，泄漏量也随之明显增加。介质温度为可能因素。

图6 泄漏量、介质温度、流量曲线

（7）泵的介质分为反应堆一回路冷却剂（下泄后上充）和清水两种，其中绝大部分时间为反应堆一回路冷却剂，主要含硼酸，化学成分较为稳定，介质含放射性，但该参数为不可改变/抗拒因素，需由密封件材质特性环节兼顾考虑，且一回路介质水质监测环节为电站运行重点监测指标，未出现偏差。可排除介质特性因素。

（8）3/4号机组该泵在柱塞球头连杆处结合1/2号机组的经验反馈，实施了十字滑块镶嵌高硬度垫块的优化，见图7，避免出现因十字滑块变形导致存在过大的非轴向受力，影响轴系直线度的情况，在每次处理密封泄漏缺陷过程，都会复查该位置状态，偶尔发现存在球头连杆调整压盖略松情况（重新紧固），属于个例情况。排除柱塞轴系直线度因素。

图7 十字滑块部位优化

（9）后续每次拆卸过程重点检查各部件是否存在安装不当或不到位情况，在未出现安装问题的前提下，仍未解决密封寿命问题，排除柱塞轴系直线度因素。

经过上述因素排查得出，影响密封寿命的关键因素集中在唇形密封预压紧力、密封件材质特性和介质温度方面，但系统介质温度标准和温度波动运行的工况属于无法修改的因素，因此需要从材质选取中关注材质自身对温度的适应方面进行考虑。

4 改进方案

4.1 唇形密封预压紧力问题

泵的唇形密封预压紧力由弹簧提供，经现场对6台泵安装的弹簧进行测量，发现由于弹簧长度存在一定误差，设计长度实际长度为46～54 mm，最大压缩量为12～18 mm，差别较大，在实际使用中，也存在对弹簧的压缩量调整不一致导致密封预压紧力不当的情况。

6台泵重新挑选使用尺寸为48.5～50 mm的弹簧，并通过加工调整环厚度，将每台泵3个缸的弹簧工作压缩量调整基本一致，误差不超过0.5 mm。结合多次实际运行结果，逐步试验最佳实际工作压缩量为12～13 mm。

4.2 密封件材质特性问题

将密封材质与系统介质温度变化的对应关系向俄罗斯厂家进行通报，建议厂家对唇形密封的性能进行优化，需重点关注热膨胀、形变等和温度相关的参数，确保材料在受热、承压状态下密封不发生永久变形，保持密封副配合的相对稳定。同时保证合理的强度和韧性，满足密封件的完整和超高压状态下密封形状的完好性。

经过对各类材质组织查找验证，唇形密封优化后的新材质选择АрФлон/Arflon AR200系列的AR204。

Arflon是一种含氟高分子聚合物材料，通过将PTFE粉末预压实，然后进行物理化学加工处理获得。Arflon在化学性能方面与PTFE（聚四氟乙烯或氟塑料-4）类似，但在物理、机械和抗磨性能方面明显优于PTFE。其工作温度范围-150～250℃，可在化学和生物侵蚀性介质、碳氢化合物、海水以及电离辐射效应条件下使用。

AR204具有无冷流性（蠕变速率下降1000倍及以上，在较大的应力和温度范围内都具有弹性性能）、高弹性模量（在室温下最多增加到2倍，在250℃时增加为原来的3～4倍）、摩擦因数与滑动速度的关系曲线指标值较低、高抗辐射性等特点，见表3。

表3 Arflon的物理性能

特别是相比原材料F4PM20（Ф4К20）及其他对照含氟聚合物，AR204能重点提高在高温下的形变特性，如150℃下1 h总形变量降低8%，1 h后膨胀率降低10%，见表4、表5。

表4 Arflon与其他氟聚合物在230℃时的形变特性对比

表5 Arflon与其他氟聚合物在150℃时的形变特性对比

唇形密封材质经过筛查和对比，确定选择高温下形变特性更优秀的AR204材质唇形密封，对现场6台泵全部更换并进行验证。

5 后续验证

2018年8月30KBA53AP001作为第一台泵开始安装该优化后材质AR204密封进行验证，并调整保证预压紧力，最终累计运行70 d。后续依次完成其他5台泵的优化材质唇形密封更换和预压紧力优化调整，截至2021年2月，该系统泵的新型密封寿命平均77 d，比优化前15～20 d的密封寿命有了大幅提升，满足运维手册需要保证累计运行42 d的技术要求，见表6。

表6 优化后材质AR204唇形密封运行时间统计 d

在泵泄漏超标后的拆解检查过程，AR204材质的唇形密封存在轻微变形和磨损，与之配合的柱塞也基本无明显划痕，相比旧材质唇形密封，能保证外观基本完好，无严重划痕、变形和破损（图8）。

图8 唇形密封材质优化前后使用情况

6 结束语

某核电站3/4号机组三柱塞式小流量上充泵是一回路相关系统的重要设备，承担维持冷却剂在KBA系统内的循环、在功率运行期间维持“上充”工况等重要功能。但从安装调试期间起，该系统泵密封故障频发，严重影响建设工程节点和机组安全运行。通过对影响密封寿命的原因进行分析排查，从设计、材质、系统等方面分析查找出主要影响因素、制定针对性的措施并组织实施，通过实际验证，密封组件平均使用寿命从15～20 d天提升至77 d，提高了该系统泵的运行可靠性，保证机组的安全稳定运行，也为其他电站和机组类似的缺陷处理提供借鉴。