基于M310核主泵停車密封的失效分析

陳錦裕，楊全超，王 佳，文 學，吳 明，林 淞，杜召瑞，李 宏，田 濤

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反應堆冷卻泵（Reactor Coolant Pump）簡稱核主泵[1]。隨著核電行業的蓬勃發展，核主泵的運維安全愈加得到各核電站的重視。反應堆冷卻劑泵使冷卻劑通過反應堆壓力容器，在冷卻劑環路中循環。作為冷卻劑、慢化劑和硼酸溶劑的水，通過堆芯時被加熱，然后進入蒸汽發生器，將熱量傳遞給二回路系統，最后返回反應堆冷卻劑泵，重復循環。M310核主泵在安裝調試和運行過程中經常出現泄漏、軸瓦燒毀等故障[2]，嚴重影響著核主泵的正常運行。

1 停車密封的工作原理

主泵停車密封是三級機械密封的后備密封，在泵運行狀態下不投用，僅在三級機械密封失效時作為一回路壓力邊界實現密封。停車密封位于三級密封上部，在主泵停運時，充氮氣到停車密封，將可移動環向上頂起，可移動環上O形圈與泵軸聯軸器密封，保持一回路密封性。在氮氣釋放后，依靠停車密封彈簧復位。停車密封氣囊的邊界由2個三元乙丙橡膠材質的O形圈密封，密封形式如圖1所示。

為了實現自密封作用，在安裝O形圈時應使其有一定的壓縮變形量。當槽壁的光潔度較高時，此變形量即使很小（0.1 mm左右）也能起自密封作用[3]。

2 停車密封失效分析

2.1 情況說明

圖1 O形圈局部

2017年6月，在一回路低水位（壓力為大氣壓）、主泵軸封未投運的情況下，某核電站發現主泵停車密封投用后出現第三級密封壓力持續升高的情況。反復多次投切停車密封后，效果未改善（圖2）。

2.2 失效原因分析

查詢KDO（試驗數據采集系統）趨勢線發現，該核主泵停車密封投運后第三級密封最大壓力為0.6 MPa，與給停車密封供氣的壓力基本一致，而該時段一回路壓力為大氣壓。因此可基本判斷，該壓力來自停車密封氣囊。依據停車密封的氣囊密封邊界進一步分析，初步懷疑O形圈63.2存在密封部分失效。在停車密封投用的情況下，只有當O形圈（項號：63.2）失效時，氣囊中的氣體沿O形圈密封面泄漏進入第三級機械密封。由于第三級機封的低壓泄漏隔離閥關閉，造成壓力上升，出現第三級密封后壓力上漲現象。

圖2 3臺核主泵第三級密封后壓力隨停車密封投運的變化趨勢

圖3 根本原因故障樹分析

2.2.1 O形圈缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈/不銹鋼平面配副發生摩擦氧化。研究表明O形圈/不銹鋼平面配副隨著位移幅值的增加，O形圈依次運行于部分滑移區（Partial slip regime，PSR）、混合區（Mixed fretting regime，MFR）和滑移區（Slip regime，SR）。在 MFR 和SR 的磨損表面，O形圈發生了明顯摩擦氧化，導致密封失效。

②O形圈老化失效。O形圈的失效表現為裂紋的萌生與擴展、表面剝落和點蝕以及局部的磨損。這些失效將導致密封失效。

③O形圈自身質量不合格。O形圈自身質量不合格、回彈性能不好，導致密封失效。

（2）問題排查

該主泵停車密封于2016年9月完成組裝，O形圈（項號：63.2）材質為三元乙丙橡膠，保質期7 a。安裝后至2017年6月16日前，該主泵已完成機組冷試、熱試等相關試驗，其間停車密封投切次數高達約30次（依據操作規程《主回路壓力低于2.9 MPa.g反應堆冷卻劑泵的運行規程 001 01》和《主回路壓力大于2.9 MPa.g反應堆冷卻劑泵的運行規程 001 02》：當主泵停運時間超過2 h時需投運停車密封），期間未發生同類現象，且結合同時安裝的另外2臺核主泵也未發生過同類現象。依據同批次O形圈質量基本相似的原理，基本可以排除該核主泵產生摩擦氧化、老化失效以及存在質量不合格的可能。

2.2.2 O形圈接觸缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈圈槽缺陷。O形圈與圈槽接觸產生密封。當圈槽上存在凹坑、劃痕及裂紋時，將會導致O形圈與圈槽接觸不充分，導致密封失效。

②O形圈密封面缺陷。O形圈密封面產生凹坑、劃痕及裂紋時，O形圈與密封面接觸不充分，會導致密封失效（圖 3）。

（2）問題排查

經查熱試期間及4RCP系統移交后的一段時間內，多次投運主泵停車密封未出現過三級密封壓力升高問題。故可排除O形圈接觸缺陷。

2.2.3 雜質影響

（1）原因分析

組裝過程中O形圈附近引入雜質，O形圈移動過程中雜質進入到密封面造成密封部分失效。當停車密封供氣管線不干凈、RAZ（核島氮氣分配系統）供氣氣體存在雜質時，在投運停車密封時鐵銹等雜質隨氣流進入氮氣氣囊，并在重力作用下沉積在靠近O形圈63.2位置，在O形圈移動過程中，雜質進入密封面，造成密封部分失效。

（2）問題排查

①組裝過程引入雜質。經查在組裝期間，組裝人員嚴格按照《Preventing foreign matter work program for Fuqing U－nits3&4 RCP assembly in AC building》實施防異物管理。另外，該核主泵在安裝后依次經歷了22.8/17.5 MPa一回路水壓試驗以及冷試、熱試長時間帶載運行，期間多次投用停車密封，未出現三級密封壓力升高問題。所以，可以排除組裝過程引入雜質。

②系統安裝階段引入雜質。系統安裝階段引入雜質的途徑主要有2個：氣源含雜質和管線含雜質。經查調試階段，該核主泵停車密封主要使用的氣源來自2路：RAZ氮氣以及SAR（壓縮空氣系統）儀用壓縮空氣。上述系統在引入氣源時均使用濾網過濾，因此基本排查氣源引入雜質的可能性。因此初步判斷，導致停車密封失效的原因是管線銹蝕異物進入停車密封，導致O形圈63.2密封部分失效。

圖4 停車密封吹掃流程

2.3 試驗驗證

核主泵停車密封的供氣管線如下圖4所示。為了驗證該管線是否銹蝕，對圖4流程圖中的粗線條進行管線吹掃。在管線末端用白布擋住，使吹掃氣體經白布過濾后排空。吹掃結果如圖5所示。

圖5 停車密封供氣管線吹掃情況

從圖5可以看出，吹掃出來的主要雜質為鐵銹及部分臟水，可以判斷管線中存在水分銹蝕供氣管線。經多次吹掃，待吹出氣體干凈無雜質后，重新投運該核主泵的停車密封。2017年6月，22 日 15∶54，23 日 11∶18，12∶09 和 18∶15，25 日 11∶18 和 19∶18，30日11∶18和14∶25，4RCP003PO停車密封關限位正常觸發，停車密封投運狀態正常。因此可以確定，導致停車密封失效的原因是管線中存在鐵銹等雜質。

3 結論

經過對造成核主泵停車密封失效的原因進行分析及驗證，得出造成該核主泵停車密封投運后第三級密封壓力持續升高的直接原因是，管線銹蝕異物進入停車密封導致O形圈63.2密封部分失效。主要原因是調試期間對供氣管線吹掃不充分，導致管道內有水分或雜質殘留。