MSR 疏水泵機械密封技術改造

周 懿，丁小浪，郭龍章，馬愛芹

（1.中核秦山核電，浙江嘉興 314300；2.四川日機密封件股份有限公司，四川成都 610041）

1 MSR 疏水泵簡介

1.1 汽水分離再熱（MSR）系統

汽水分離再熱系統（MSR 系統）是核電廠汽輪機不可缺少的重要組成部分，作用是去除和回收汽輪機高壓缸排氣中的水份，除濕分離效果達到98%以上。通過MSR 兩級再加熱器加熱，將低壓缸進汽加熱成過熱蒸汽，通過提高低壓缸進汽的過熱度，將低壓缸排汽的濕度控制在10%，降低了濕蒸汽對低壓缸葉片尤其是末3 級葉片的沖蝕[1]。

單臺汽輪機組包含2 臺汽水分離再加熱器（MSR），分別位于汽輪機運行平臺兩側，每臺汽水分離再熱器配備1 臺分離器疏水回收箱，1 臺低壓再熱器疏水回收箱和1 臺高壓再熱器疏水回收箱[1]。

1.2 MSR 疏水泵

疏水泵用于將MSR 分離器疏水回收箱中的凝結水排放到低壓給水加熱系統，如除氧器。疏水泵的穩定運行，對整個汽輪機發電機組都是至關重要的，它能使分離器疏水箱水位穩定在正常液位，避免分離器疏水箱中的疏水倒流至汽輪機，防止汽輪機組因此跳閘停機[1]。

MSR 疏水泵是單級臥式離心泵，采用機械密封密封泵腔內介質。

1.3 MSR 疏水泵運行參數

介質：凝結水，偏堿性；溫度：140～167 ℃；轉速：1 500 r/min；入口壓力：0.7 MPa；出口壓力：0.95 MPa；輔助系統方案：PLAN 11。

2 MSR 疏水泵機械密封缺陷分析

2.1 缺陷介紹

MSR 疏水泵曾經3 次變更過機封廠家。投運初期是泵廠原裝進口機封，因漏水頻發進行國產化替代，首次變更的機封泄漏狀態有所改善，但容易出現停運時滴漏、運轉時不漏（由于啟停溫差和機封受力影響）現象，一直未能完全解決。后該泵因原廠整體改型升級，機械密封腔室形狀改變，配套機封變為另外一個廠家的機封。

新泵使用的機封可靠性也不高，機封頻繁出現漏水缺陷，也多次出現停運時滴漏、運轉時不漏的狀態。針對上述缺陷，不得不頻繁的更換機封，最短更換頻率僅僅一個月，嚴重影響設備的可靠性，大大增加了維修人員的工作量。

2.2 缺陷分析

2.2.1 密封面狀態

現場解體檢查密封面狀態（如圖1），碳環密封面磨出溝槽和同心紋理。

2.2.2 原因因子（如圖2）

2.2.3 密封面受損機理[2]

圖1 失效密封面狀態

圖2 原因因子

介質溫度高達167 ℃，壓力約在620 kPa，液膜外側壓力為大氣壓，液膜邊界蒸發后會低于飽和蒸汽壓力，因而密封端面液膜邊界持續發生閃蒸，液膜不穩定，使密封面受損。

泵頻繁起停會加速2 密封端面失去潤滑膜而造成磨損失效。

泵停運散熱時間短，熱水蒸發，密封腔室冷卻水不足，導致泵啟動時干運轉，密封面產生干磨的同心紋理。而停泵時間越長密封室被空氣冷卻越充分，密封腔室內會有足夠的冷卻水，冷卻水溫度越低機封使用壽命越長。

3 機械密封設計及計算

3.1 機械密封結構（圖3）

3.2 機封零部件材質選取

根據機封現場工況，選取機封零件材質：密封動環—進口耐高溫石墨；密封靜環—無壓燒結碳化硅；壓蓋—316；軸套—316；彈簧—Hast.C；O 形圈—進口耐高溫全氟橡膠。

3.3 機械密封設計參數計算

設計參數為：窄環端面外徑—D1；窄環端面外徑—D2；平衡直徑—Do；載荷系數—K；膜壓系數——λ；彈簧比壓—Ps；端面比壓—Pc。

介質溫度和壓力參數屬于系統設計，無法改變；疏水量大是汽輪機結構問題，改變成本高昂；機械密封廠家技術人員推薦加密封冷卻水或者空冷設施，降低水溫來保證密封壽命。經評估后發現現場條件不具備，施工成本較高。鑒于現場的工況條件受限，該機械密封只有API PLAN 11 方案，此種工況非常苛刻，設計要求相當高。

圖3 機械密封結構

3.4 參數設計難點

3.4.1 計算模型建立

針對該泵機封在停運時滴漏，運轉時正常這一缺陷，進行有針對性的計算，建立2D 軸對稱模型（圖4），并進行有限元分析的網格劃分（圖5），分析摩擦副在壓力作用下的變形情況，選取合理的參數。

圖4 幾何模型

圖5 網格劃分

圖6 壓力邊界條件

在圖6 所示邊界處施加壓力邊界條件，P=1 MPa。對于端面的邊界條件，由于工作介質為高溫水，液膜反壓系數常取0.4。此處近似處理為線性分布壓力施加邊界條件，壓力邊界施加的控制方程如下式：

上式中：P 為端面壓力徑向分布，Po為介質壓力，Pi為泄漏側大氣壓力，Ro為端面外半徑，Ri為端面內半徑，r 為極坐標半徑方向。

3.4.2 應力變形分析

根據上述條件，得到密封面壓力形變云圖（如圖7）和總體應力分布云圖（圖8）。

圖7 總體壓力形變

從總體形變云圖可以發現，在機械密封摩擦副受介質壓力作用下，機械密封摩擦副外圈接觸。整個密封端面泄漏通道沿徑向方向，從外徑朝內徑側呈發散趨勢。

3.4.3 熱變形分析

密封摩擦副溫度分布（圖9）和摩擦副變形云圖（圖10）。

圖9 密封摩擦副溫度分布

圖10 密封摩擦副變形

從圖9 可以發現，當機械密封處于熱穩態情況下，摩擦副外部與介質處于同等溫度水平160 ℃，但摩擦副端面溫度為171 ℃。正是由于該溫度分布梯度存在，造成石墨和硬質合金變形。溫度引起的摩擦副變形（圖10），當密封摩擦副受溫度梯度影響時，整個密封環內圈接觸。整個密封端面泄漏通道沿徑向方向從外徑朝內徑側呈收斂趨勢。

通過計算壓力變形和溫度變形，可以獲得以下結論：當機械密封摩擦副端面處于高速運轉時，端面發熱，密封摩擦副端面呈收斂變形，可以抵消一部分壓力引起的發散形端面變形，使端面呈近似平行狀態，保證機械密封處于正常的泄漏量；當機械密封停止運轉時，密封摩擦副不再發熱且處于介質包圍中，溫度梯度消失，熱變形引起的收斂角消失，但此時壓力仍然持續作用在摩擦副上，引起的發散角仍然存在，導致機械密封泄漏。

機械密封設計過程中應盡可能保證摩擦副端面壓力變形和溫度變形的趨勢相反，量值相當。通常情況下，保證壓力作用產生的變形角處于主導地位，但在某些高溫工況下，溫度引起的變形角不能被忽略。此時可以通過調整密封端面寬度或者調整端面初始內錐度達到控制高溫泄漏的目的。

4 試驗驗證

4.1 試驗工裝

根據現場使用工況和接口尺寸，設計了機械密封模擬試驗方案，進行機械密封的模擬試驗，試驗方案如圖11、圖12 所示。

4.2 試驗項目

4.2.1 靜壓試驗

圖11 試驗工裝

試驗介質：去離子水；試驗溫度：常溫；試驗壓力為1.5 MPa，持續15 min。

驗收準則：泄漏量＜5 ml/h。

4.2.2 運轉試驗（圖12）

試驗介質：去離子水；試驗溫度：160 ℃；試驗轉速：1 500 r/min；試驗壓力 為1.0 MPa，試驗時間5 h。

圖12 運轉試驗臺

驗收準則：泄漏量＜5 ml/h。

4.2.3 氣密性試驗

被試驗產品應按安裝要求裝于最大容積≤28 L 的試驗裝置內。將清潔的空氣加壓至1.7 bar 導入工作容積，關閉壓力源，試驗保壓時間≥5 min。

驗收準則：最大壓降≤0.14 bar。

4.3 試驗結果

機械密封經過靜壓試驗和高溫運轉試驗5 h，無論是在啟動和停機，還是升降溫過程中，以及在高溫連續運行過程中，機械密封均未見泄漏，密封端面狀態良好，滿足現場使用要求。試驗后密封端面狀態如圖13 所示。

圖13 試驗后密封解體端面狀態

5 結束語

目前，技改后的機封已在現場使用2 年以上，密封狀態正常，解決了現場滴漏問題。疏水泵機械密封的成功國產化，不僅解決了密封泄漏的根本問題，同時積累了高溫運行工況條件下的機封使用經驗。