全廠斷電事故中反應堆冷卻劑泵軸封失效分析及應對措施

□焦森林 王連名 羅 斌

一、引言

反應堆冷卻劑泵(簡稱主泵)是核電廠的重要設備，其主要功能是驅動高溫高壓的反應堆冷卻劑，保證冷卻劑在反應堆冷卻劑系統中的循環。目前在役核電廠主泵主要為立式、單級單吸的軸封式葉片泵。

主泵的軸密封部件提供從反應堆冷卻劑系統壓力到環境條件的壓力隔離，防止反應堆冷卻劑向環境泄漏。軸密封部件主要為三級流體靜壓或動壓機械密封，在正常運行時，每一級密封按照比例承受系統壓力。

二、軸封注入失效分析

正常運行時，主泵軸密封由化學和容積控制系統(RCV)提供冷高壓注入水，密封注入水進入泵腔后分兩路：一路沿泵軸向下潤滑和冷卻泵水潤滑導軸承后，流入到反應堆一回路內；另一部分沿泵軸向上依次進入第一、二、三級機械密封，以潤滑和保護軸密封，經過每級密封后的泄漏均在可控泄漏流量范圍內，從而實現主泵在一回路系統中的屏障。

在全廠斷電SBO事故中，廠外電源不可用，廠用電也不可用，同時應急柴油發電機組也不可用。RCV系統中上充泵因失電，無法向主泵軸密封系統提供密封注入水，使一回路高溫反應堆冷卻劑沿泵軸向上流動，穿過水潤滑導軸承，進入主泵軸密封，由于高溫和其引發的熱應力會損害軸密封，使反應堆冷卻劑泄漏超出正常泄漏范圍，從而破壞一回路邊界完整性，導致出現破口事故(LOCK)。隨著冷卻劑持續從主泵軸封破口流出，一回路壓力持續下降，堆芯水位下降，堆芯裸露，升溫到失效溫度后融毀[1]。

三、SBO事故中失去主泵軸封注水危險的應對措施

為應對SBO事故中失去主泵軸封注入水的風險，需對主泵密封注入相關的系統重新進行設計，以滿足在SBO事故工況下提供軸封注入水，保證一回路邊界的完整性。

(一)增設SBO軸封注入水泵。主泵軸封注入水由三臺離心式上充泵提供，并由RCV系統收集主泵密封泄漏流[2]，另設一臺往復式水壓試驗泵用于一回路水壓試驗，必要時可為主泵提供軸封注入水。上充泵和水壓試驗泵均由主交流電源供電，在SBO事故中無法運行。

為防止SBO事故中失效，將增設一臺往復式泵作為非核級軸封注入水泵，在SBO事故工況下，操作員能在主控制室手動啟動水泵，供應主泵軸封注入水，該泵至少連續運行8h。為減少廠房布置變化，此往復式泵將由400V/50Hz柴油發電機組提供動力電源[3]。整個新增設備由SBO軸封注入水泵及電動機、軸封注入水泵電裝入口閥、箱式柴油發電機組、控制箱等組成，以上設備動力均由400V/50Hz柴油發電機組提供，柴油發電機組采用24DC蓄電池電啟動方式，蓄電池保證至少6次啟動，布置在廠址高位平臺。

此方案安裝快速、技術成熟，保證SBO事故工況下軸封注入水，但需柴油發電機組的運行可靠性。從1993年1月至2005年8月，秦山核電廠應急柴油發電機組失敗啟動1次，帶載失敗運行3次，可靠性系數為0.95，從中可看出柴油發電機組的運行可靠性仍存在風險。因此，此方案在極端事故工況下仍存在不可靠性。

(二)增加設備冷卻水泵供電電源。美國西屋、法國熱蒙、日本三菱研發的軸封式主泵均采用熱屏換熱器，設備冷卻水通過熱屏換熱器冷卻向上流動一回路冷卻水，可保護泵軸承和軸封。法國熱蒙設計的華龍一號主泵在熱屏蔽內增加多個中空的不銹鋼套筒，此結構能增加通過其一回路高溫水的傳導熱阻；當軸封注入水中斷、設備冷卻水正常供應時，無需其它備用措施，能保證軸承和軸密封正常運行24h。

安德里茲研發的主泵設置高壓冷卻器，當主泵失去密封注入水、設備冷卻水正常供應時，高壓冷卻器可作為一熱阱建立自然循環流，一回路高溫水可通過再循環管線，經高壓冷卻器中設備冷卻水盤管冷卻后注入軸密封，此流量較低僅可冷卻軸密封。因此，對于帶熱屏換熱器或高壓冷卻器的軸封式主泵，當軸封注入水中斷時，保證設備冷卻水正常供應，便可冷卻一回路上涌高溫水，可暫時冷卻和潤滑軸封。可考慮增加一臺箱式柴油發電機組或汽輪發電機，當在SBO事故工況下時，為設備冷卻水泵提供動力電源，以保證設備冷卻水對熱屏換熱器或高壓冷卻器的供應，可保證主泵軸封注入水的24h用水需求。

但熱屏換熱器或高壓冷卻器中的盤管壁面不僅傳遞換熱，還可作為分隔一回路高溫水與設備冷卻水系統的壓力邊界。如果管壁破裂，將導致設備冷卻水管線破裂引起的安全殼旁通型LOCK事故[4]。在SBO事故工況下，設備環境更加惡劣，存在設備冷卻水管線不可用風險，雖可通過設備冷卻水上、下游閥門隔離，但閥門均需設置蓄電池供電才能動作。

(三)采用耐高溫機械密封材料。在SBO事故工況下，一回路反應堆溫度在300℃以上，普通機械密封材質在無軸封注入水情況下無法保證密封的完整性，可采用新材料來保證機械密封承受高溫。可將普通機械密封面材料改為氮化硅，其耐干磨能力明顯增強，在失去軸封注入水情況下，仍能運行一段時間，提高了密封的抗破壞能力[5]；且氮化硅能在高溫下保持動、靜環間隙幾何形狀不變形，保證密封面平行，保持密封能力。

以往機械密封O形圈材料僅能承受20h以上288℃高溫，但無法滿足SBO事故工況要求；新型O形圈材料已能承受300℃以上高溫，配備新型O形圈的機械密封能滿足在最高溫度325℃、連續運行360小時，泄漏量不超過180L(圖1)，滿足SBO事故工況要求。

圖1 SBO工況主泵軸密封泄漏情況

但應用此材料主泵軸密封為三級流體動壓機械密封，三級密封按一定比例承受一回路高壓，每級密封均能單獨承受一回路全壓；第一級密封和第二級密封的正常高壓泄漏和低壓泄漏由RCV系統回收，第三級密封泄漏由RPE系統管線回收，正常運行時，第三級密封泄漏幾乎為零；當第三級密封失效時，造成第二級密封后正常泄漏流體通過RPE管線吸收，當RPE管線流量無法滿足時，造成反應堆冷卻劑泄漏。

(四)設置停車密封。為防止在SBO事故工況下主泵軸封泄漏，在原有三級機械密封基礎上設置停車密封。核電用停車密封分非能動停車密封和壓縮氮氣驅動能動停車密封，兩種密封設置位置不同。國內在役運行核電廠主泵三級機械密封目前存在流體靜壓型密封和流體動壓型密封兩種。流體靜壓型密封第一級密封為非接觸式密封、第二、三級為斷面摩擦接觸式密封，第一級密封承受幾乎全部一回路壓力，第二級密封僅承受極小壓差，僅當第一級密封失效后，第二級密封從端面摩擦接觸式密封轉換為流體靜壓密封，短時間內承受一回路壓力。基于以上分析，流體靜壓密封最嚴重失效在第一級密封處，可在第一級密封后、第二級密封前設置非能動停車密封；當SBO工況下時，失去主泵軸封注入水，一回路高溫水沿泵軸向上涌，通過第一級密封泄漏到達非能動停車密封，在高溫下非能動停車密封可熔支承環融化，在壓緊環和一回路高壓下，使主密封環抱緊泵軸，實現密封[6]。此方案僅當主泵停轉時投運，但在SBO工況初期，主泵失電惰走，此時非能動停車密封投運會導致直接損壞。

三級流體動壓密封均為非接觸式密封，按一定比例承受一回路高壓，每級密封均能單獨承受一回路全壓，即使某一級密封失效，仍能保持整個軸封系統完整。但第三級密封失效為流體動壓型密封最嚴重失效，需對其進行保護。可在第三級密封后設置氮氣驅動能動停車密封，在SBO事故工況下，主泵停車時，可通過存儲的高壓氮氣將停車密封移動環向上頂起，與泵軸聯軸器形成密封，保證一回路介質不泄露。該密封為能動停車密封，可控制在主泵停止后投運。

四、結語

全廠斷電SBO事故中，主泵失去軸封注入水后軸密封存在損壞風險，導致一回路邊界破壞，引起小LOCK事故，需采取措施防護；為應對SBO事故中失去主泵軸封注入水的風險，增加SBO軸封注入水泵、增加設備冷卻水泵供電電源的方案，可在全廠失電后為主泵提供應急軸封注入，但增加設備過多和改變廠房布置，使經濟投入增加，且存在發電機組帶載失敗風險；另外，雖采用耐高溫材料的機械密封可滿足SBO工況下高溫密封要求，但三級流體動壓機械密封中第三級密封存在失效風險，需結合停車密封使用；此外，針對流體靜壓型密封和流體動壓型密封，分別采用非能動停車密封和壓縮氮氣驅動能動停車密封方法，可有效防止全廠失電時主泵軸密封泄漏，但需在主泵停轉后投運。