核电厂主给水泵机械密封故障研究及改进

苏州热工研究院有限公司、国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心 王 位 张江红 马沂荩 黄立军

1 REEP型进口机械密封的故障分析

某压水堆核电厂2019年至2021年集中出现了压力泵机封异常泄漏的问题，通过对现场使用过的REEP型机封拆解，可以确认RREP类型机械密封属于单端面、平衡型、弹簧静止式密封。摩擦副采用石墨/碳化硅配对，副密封采用乙丙橡胶O形圈；动环内置于泵效环一并放置于轴套上，通过键传动传递扭矩；泵效环驱动介质于密封腔和换热器之间循环，保护密封副免受温度异常而损坏；静环置于静环座，弹簧均布于静环座背面，一并内置于压盖腔内，并通过销钉防转；采用均布小弹簧提供弹力，保证摩擦副端面贴合，受力均匀；轴套与泵轴采用定位环和锁紧螺母实现轴向固定和扭矩的传递；压盖与泵腔采用螺柱和螺母实现轴向固定。

1.1 故障现象描述

某压水堆核电厂RREP类型机械密封运行期间，多次出现泄漏量异常升高，达到4L/h以上，甚至达到99L/h，引漏管内有黑色水（含石墨粉）漏出。机械密封故障过程中常伴随着密封腔温度异常升高的现象。机封拆解后发现，密封副端面磨损异常，部分机封静环（石墨环）凸台（原设计值为2mm）已经完全磨损，动环（碳化硅环）密封面有1～2mm深的不均匀磨损痕迹，有干摩擦的痕迹，部分机封碳化硅环已完全崩碎。静环座浮动位置处有明显摩擦痕迹[1]。

1.2 故障模式分析

机械密封通过弹簧力和介质力的共同作用下，在泵运行过程中使密封动、静环随时保持贴合，进而阻止密封介质泄漏，形成动态平衡。一般情况下，机械密封泄漏点包括：密封端面处泄漏；辅助密封O形圈处泄漏；密封环、金属结构件等出现孔隙、裂纹发生泄漏[2]。密封端面处泄漏原因。密封端面处发生泄漏一般是由于密封端面过度磨损，造成密封面损坏，无法起到密封作用；密封补偿环追随性差，密封端面无法贴合，进而泄漏；辅助密封处泄漏原因。密封辅助密封处发生泄漏一般是由于副密封在运行过程中发生磨损，造成橡胶损坏，发生泄漏；辅助密封本身缺陷；检修时安装不当造成副密封损坏；结构件存在孔隙；裂纹发生泄漏原因。密封环孔隙、裂纹原因。材料本身缺陷、安装不当造成密封环损坏；金属结构件孔隙、裂纹原因。材料本身缺陷、加工工艺不当。根据对机械密封故障模式的排查，总结出RREP类型机械密封设计上的不足和可能产生泄漏的原因见表1。

表1 机封泄漏模式排查过程

1.3 RREP机械密封故障原因总结

通过对原RREP机械密封的整体检查和故障排查核实，发现其副密封及弹簧补偿机构正常，密封过度泄漏的直接原因是动环（碳化硅）的表面剥落崩碎，静环（石墨）的严重磨损，其根本原因如下。

冲洗循环水流量不足。其由泵效环泵送介质于密封腔和换热器之间循环，所以根本原因为泵效环的结构设计不够完善，不满足泵效要求。该机械密封运行压力为4.56MPa（Max），介质温度177℃，冲洗循环水流量不足将导致密封端面温度升高，机械密封端面不能形成稳定液膜，甚至在端面泄漏低压侧出现汽化现象，汽化半径靠近外径，造成端面液体润滑区域面积过小，引起石墨环的磨损加重，产生大量的摩擦热，恶性循环最终导致机封损坏。

密封环材质性能不满足现场使用要求。其中，机械密封静环采用石墨环材质，动环采用碳化硅环，抗弯强度及弹性模量较小且热传导性较差，在机封温度高时静环与动环接触中石墨静环容易产生变形、磨损，碳化硅环端面温度过高则易导致剥落崩碎；金属结构件缺陷影响。弹簧加载垫圈在机组运行时在静环座上微动，虽然弹簧加载垫圈外层包覆材料是复合材料，具有自润滑性及较高的强度，但经过一段时间的运行，静环座上易被磨出痕迹，导致摩擦系数增大，弹簧加载垫圈在某一瞬间容易卡滞在静环座上，不能有效进行补偿，将使动、静环分开，引起泄漏量异常增大。

2 新型国产机械密封设计改进

2.1 新型机械密封设计思路

根据原进口的RREP类型机械密封故障分析研究，其泄漏主要原因是泵效环设计不合理，密封环材质性能不满足现场使用要求，金属结构件缺陷影响。虽然机封设计参数在正常范围内，但设计参数可以进一步优化。结合原进口RREP机封使用经验，为国产机械密封提出如下优化思路：泵效环修改为双螺旋泵效环，增大冲洗循环水流量；在密封环上增加斜面槽，改善端面润滑；副密封材质修改为更适合高温、高压运行环境的全氟醚橡胶；在静环座浮动位置处喷涂WC涂层，增加耐磨性。

2.2 新型国产密封与原进口密封对比

通过机械密封性能检测和计算，并与新型国产水泵机械密封设计参数比较，新型国产机械密封与原进口RREP机封对比整体设计参数（见表2）在合理范围内，性能略优。

表2 机械密封设计参数对比表（一般推荐端面比压）

2.2.1 机械密封总摩擦功耗对比（见表3）

表3 机械密封端面摩擦热对比表

对于接触式机械密封的端面摩擦热为：QF=fPCAf×Af[1]，其中：f为摩擦系数，接触式密封，动环石墨材料，静环碳化硅材料f=0.02，由于设计端面开有润滑槽，需要考虑1.5倍安全系数，取f=0.03。Af为密封端面面积，m2；PC为密封端面比压，N/m2；V为密封端面平均速度，m/s。

因无法精确计算原进口RREP机械密封结构参数，因此合并参考国产机械密封的密封搅拌热的计算。对于接触式机械密封的端面旋转时的搅拌热为：，其中：L为流道特征长度；L=0.0955m；R为流道特征半径；D2=0.147m，D1=0.19m；R=（D2+D1）/4=0.084m；V3为旋转件外圆周速，m/s；V3=3.14×0.19×4775=47.5m/s；ρ为密封腔内液体的密度，kg/m³，对于水，ρ=1000kg/m³；CM为损耗系数。CM=0.65（c/R）0.3Rec-0.2，(104＜ReC时）。

决定流动状态的雷诺数为：ReC=VSCρ/μ，式中：c为密封腔间隙，m；c=（DS-DC）/2=0.0005m；DS为密封腔内径，m；DS=0.191m；DC为旋转件外径，m；DC=0.19m；μ为液体动力粘度，Pa·s；常温时，μ=1×10-3Pa·s；当雷诺数ReC＞2000，流动处于紊流状态；反之，流体处于层流状态。综合计算密封搅拌发热：QA=25.12kW。

2.2.2 最小冲洗流量对比

为了控制密封端面温度，一般采取冲洗措施来改善密封的工作环境，延长密封的使用寿命。确定密封的冲洗量时应考虑到端面摩擦热和旋转元件的搅拌热，设定允许温升条件下将这些热量带走。可以通过计算密封产生热量来确定密封最小冲洗流量。

机械密封的发热量等于机械密封总摩擦功耗与传导热量之和，即P=Q(总摩擦功耗)+Qhs(传导热量)由API682标准，密封冲洗介质的温升可以由以下公式进行计算：ΔT=60000×P/d×qinj×CP，其中：P为密封端面产生的热量，kW；Qhs（传导热量）=U×A×Db×ΔT（其中：U×A=0.00025；Db密封平衡直径；ΔT=177-85=92℃）；d为泵温下冲洗流体的比重；qinj为冲洗流体流量，L/min；CP为泵温下冲洗流体的比容，J/（kg·K）；按经验选取密封室正常工作温度：75～85℃，冲洗液出、入口温差：ΔT=16℃（对于冲洗方案23的隔离/缓冲流体，最大温升应限制在16℃），常温水为Cp=4.174kJ/（kg·K），d=0.985[3]。其中，RREP类型机械密封所需最小冲洗流量qinj30.5kW，国产机械密封所需最小冲洗流量qinj29.1kW。

由于泵效流量会根据现场管线、换热器管阻等影响大幅减小，现场运行和试验台架运转对比，RREP类型机械密封泵效循环流量约为18L/min，国产改进型机械密封双螺旋泵效循环流程约为40L/min，国产改进型机械密封泵效循环流量明显大于所需的最小冲洗流量。

2.2.3 其他

密封端面设计对比。国产改进型机械密封通过密封环端面增加斜面槽的方法增大密封开启力，改善了端面润滑，降低端面磨损。假设转速、压力、温度、假设膜厚一定的情况下，应用FTSI软件计算结果，对比不同槽数的端面压力（开启力（N））分布如下：2/50.72、3/289.24、4/437.80、5/514.09、6/556.12、7/581.87。

静环座浮动位置工艺对比。针对RREP类型机械密封运行后静环座浮动位置处产生磨痕的问题，国产改进型机械密封在静环座浮动位置处喷涂WC涂层，涂层显微硬度HV0.3900，抗拉强度≥65MPa，孔隙率≤1.5%，具有耐磨损的特点，可以更有效控制弹簧加载垫圈在静环座微动过程中生成磨痕。

密封环材质对比。国产新型机械密封静环采用碳化硅材质，即碳化硅石墨复合材料，主要由石墨（30%～50%）、碳化硅（45%～65%）以及少量的硅（＜15%）组成。同时具有碳化硅硬度高，机械强度高、耐磨性和石墨的自润滑性能与抗热震性能。

新型国产机械密封在密封环端面开设有斜槽，增加了密封的润滑性能，有效地降低了机械密封在高温度运行工况下的磨损；在螺旋套和压盖之间设计为双螺旋结构，有效提高了密封的泵送能力，提高换热效率降低了密封副的温度，改善运行环境；在推环与C形圈配合处采用喷涂硬质金工艺，有效提高其耐磨性能并降低其粗糙度，在主给水泵运行过程中，推环和C形圈仅相互做微浮动运动；将静环的石墨材质替换为硅化石墨，在保持原有自润滑性能与抗热震性能的前提下提高机械强度、耐磨性；明显提高原机械密封寿命。此机械密封装置优化结构不仅考虑了机械密封在稳定工况和变条件下的对端面形的影响，同时也考虑了机械密封端面的润滑和冷却措施，并且还考虑了副密封处对密封端面追随性的影响。