堆腔注水冷卻泵密封方案選擇和執行管理

趙巍 張國翔

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674- 1145（2020）01- 101- 02

摘 要 密封系統是泵的重要組成部分。機械密封性能先進、密封可靠、壽命長，能有效的提高設備運行穩定性，是核電站用泵最常用的密封型式。堆腔注水冷卻泵是我國自主研發的第三代核電站堆型華龍一號的新設備，本文將對機械密封的結構型式和常用的沖洗方案進行闡述分析，并根據堆腔注水冷卻泵的布置方案、運行工況確定選用單端面平衡型靜止式多彈簧內裝機械密封，沖洗方案為PLAN11。

關鍵詞 堆腔注水冷卻泵 機械密封 沖洗方案。

華龍一號核電機組中的堆腔注水冷卻泵布置在核安全廠房標高-12.2米處，功能是在發生堆芯熔化的嚴重事故時，提供大流量的冷流體注入到反應堆壓力容器與保溫層之間，帶走堆芯熔融物的熱量，保持壓力容器的完整性。堆腔注水冷卻泵為立式、雙殼體、多級離心式結構，內部組件為可整體從外筒體內抽出的芯包。

機械密封是通過結構轉換，將軸與靜止部件的密封由徑向接觸轉換成軸向接觸。其優點是：

1.二個接觸平面可以做得很精確。

2.平面磨損后，可以自動補償。

3.轉軸的跳動對平面影響較少，可維持很好的接觸。

4.平面易于加工，可選用很耐磨、很硬的材料。

5.可以精確控制二個平面的壓緊力。

因此其泄漏率遠比填料、浮環、迷宮等密封要少。

一、機械密封的分類

機械密封的結構通常由四部份組成：1.一對平面接觸的摩擦環。2.橡膠密封圈。3.保持密封面接觸的彈簧。4.結構、傳動件。但其結構形式有多種。以下對各種結構形式特點做簡單介紹：

（一）平衡式與非平衡式

密封處在壓力流體的包圍之中，除了外徑（或內徑）受壓外，密封面的接觸壓力也與介質壓力有關，平衡式機封軸向兩側介質壓力可以相互抵消，因此介質壓力變化對密封面壓力影響很小，能夠降低密封面的磨損，延長壽命，但結構復雜，成本高； 非平衡式機封結構相對簡單，成本低。但密封面壓力受介質壓力影響較大。

（二）旋轉式與靜止式

按彈簧作用在動環還是靜環上，機封可分為旋轉式和靜止式，旋轉式結構簡單，尺寸小，但如果轉速較高其結構不穩定。

（三）單彈簧式與多彈簧式

單彈簧式即一個彈簧繞軸安裝，較粗，耐腐蝕，但端面受力容易不均勻，軸徑較小時影響不大。多彈簧式即沿密封圓周裝有多個小彈簧，彈簧絲較細，耐腐蝕性差，端面受力均勻。

（四）單端面式與雙端面式

通常機封只有一對摩擦環，即單端面密封。但如果對介質泄露率有嚴格要求，如介質有毒害性，可增加一對摩擦環，即為雙端面密封。

（五）內裝式與外裝式

機封彈簧通常安裝在介質內部，稱為內裝式。密封面可利用介質壓力，同時利用介質進行冷卻和潤滑。但如果介質有強腐蝕性、粘度高或者容易結晶，則可選擇將彈簧裝在介質外的結構，即外裝式機封，外裝式便于觀察和拆卸，但當介質壓力過高時，可能頂開密封端面，出現強烈泄漏，因此外裝式機封一般用于低壓、強腐蝕、高粘度和易結晶介質以及介質壓力較低的場合。

二、密封的沖洗方案

密封在運轉中產生摩檫功率，消耗的功率以熱的形式散出。

長時間運行會導致密封面溫度升高，增大磨損率，降低密封使用壽命。最好的辦法是通過沖洗密封面來降溫。

機械密封的沖洗方案有很多種，核電泵最常用的沖洗方案有以下幾種。

1.Plan 11

沖洗液從泵出口到達密封，液流進入密封腔室中鄰近密封面的地方，沖洗密封面，通過密封后返回進入泵中，這是大多數泵采用的方案，簡單、方便、效果好。

2.Plan21

沖洗液從泵出口經過冷卻器到達密封面，此方案用于溫度稍高的介質，在給水泵密封、停堆泵密封中常用。

3.Plan31

沖洗液從泵出口經過懸液分離器將清潔介質輸送到密封腔中，固體顆粒被送到泵吸入口。介質中固體顆粒較多時選用此種方案。

三、堆腔注水冷卻泵的密封選型

華龍一號的堆腔注水冷卻泵，是堆腔注水系統能動功能的主動設備，該泵為核電站新設備，是立式桶袋多級離心泵，設備設計參考了以往同類型泵設備（二代改進型核電站核二級安全殼噴淋泵及低壓安注泵）的基礎上，提高了介質溫度。

堆腔注水冷卻泵相關參數如下：

軸徑：100m m

轉速：1475r/m in

抽送介質：1.25%硼酸溶液或除鹽水

運行溫度范圍：5～156℃

1.25%硼酸溶液介質里面最大固體顆粒<1ppm；

除鹽水介質里面最大固體顆粒<0.1m g/kg；

吸入壓力：0.05～1.2MPa（g）；

NPSHr≤1m；

NPSHa≥2.21m

介質最高壓力1.2MPa，應選用平衡式機械密封。轉速1475r/ m in，軸徑100m m，線速度7.7m /s，可選用旋轉式機封，但考慮到運行穩定性，靜止式機封更佳。軸徑中等，介質無強腐蝕性，顆粒濃度低，宜選用多彈簧式機封。介質無毒害，對泄露無嚴格要求，單端面密封可滿足需求。中壓，非強腐蝕易結晶介質采用內裝式機封。因此結構形式應選用單端面平衡型靜止式多彈簧內裝機械密封。

密封沖洗方案根據介質情況：高溫、雜質少，應選用PLAN21：

四、執行過程中出現的問題

（一）機封冷卻器設計、制造資質問題

機封方案確定后，需配置冷卻器，但設冷水系統屬于核安全三級，冷卻器作為壓力邊界也應按RCC-M3級設計、制造和檢驗。且設計、制造單位應具有相應資質。

如采用核級冷卻器，國內具有制造資質的廠家都無設計資質，且無此產品供貨經驗。最終經過多方調研談判，確定由兩家分別具備設計、制造資質的設計院和制造廠進行合作研發。但由于首次制造，質量、進度和商務均存在風險。

（二）機封冷卻水問題

隨著設計深入，明確該泵所在樓層不提供冷卻水，如機封帶冷卻器需從電機所在樓層引入冷卻水，對布置和冷卻水量將產生較大影響。建議采用耐高溫機封。

耐高溫機封主要難點在于動靜環材料選擇及端面處理技術，M310堆型中由于系統不提供冷卻水，安注、安噴、上充泵都采用了耐高溫機封，但介質最高溫度只有120℃。唯一運行溫度高于堆腔注水泵的余熱泵（180℃）機封采用的是帶換熱器方案。因此前期項目并無成熟產品。后經調研發現K項目中壓安注泵國內研發樣機已通過鑒定，該泵介質溫度160℃，且同樣采用無冷卻水耐高溫機封。中壓安注泵樣機配套機封通過了高溫耐久試驗。最終確定選用耐高溫機封，沖洗方案確定為PLAN11。

五、結語

華龍一號堆腔注水冷卻泵的機械密封方案選擇上，經過了很長時間討論，尤其是沖洗方案的確定經過了反復斟酌，全面考慮了該泵的運行工況和布置方案后最終選用PLAN11耐高溫型式密封。該泵機封方案選擇上的反復也反應出一些問題，主要原因為新堆型、新設備技術輸入存在不確定性，類似設備應可借鑒此泵經驗確定機封方案。

參考文獻：

[1]陳德才，崔德容.機械密封設計制造與使用[M].北京：機械工業出版社，1993.

[2]化工部設備設計中心站.機械密封新結構圖冊[M].上海：上海科學技術出版社，1990.