RCV 上充泵油密封優化改進分析

田 濤，盧家良，陳錦裕，李 宏

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠3/4 號機組設置3 臺上充泵，其中1 號泵為備用泵，在切泵時啟動；2 號泵與3 號泵相互切換運行。自運行以來，3/4 號機組的2/3 號上充泵驅動端軸承室頻繁出現油位低需緊急補油情況，4 臺泵的補油頻率約為1 周1 次，這對運行與維修人員帶來了極大干擾。經現場檢查發現，驅動端軸承室的兩油封僅靠近機封側的油封存在漏油情況，靠近聯軸器側的油封則無此情況。

該核電廠3/4 號機組的6 臺上充泵均為RHM100型12 級臥式單吸離心泵，其驅動端為徑向滾子軸承，采用稀油自潤滑，油封為非接觸式迷宮密封。

1 油封

1.1 常用油封

軸承密封一般采取兩種形式的密封，即接觸式油封和非接觸式的迷宮密封。最常見的接觸式油封有唇形密封，其基本工作原理為：撓性密封元件（皮革、橡膠、聚四氟乙烯等）與旋轉軸形成過盈配合，油封唇部和軸之間的接觸面同時并存干摩擦、邊界潤滑和流體潤滑摩擦[1]。在干摩擦狀態下油封密封性最好，但油封唇的磨損嚴重；流體潤滑摩擦下油封唇磨損最小，但泄漏量最大；在邊界潤滑下，油封唇與軸之間形成一層穩定的流體動壓油膜，這層油膜除了起潤滑作用外還具有密封作用，但對油膜的厚度要求極具苛刻，一般要求為0.002 5 mm，這也導致了該型號油封泄漏故障頻發。

該種接觸式唇形油封重量輕，耗材少，結構簡單，安裝腔體結構緊湊，軸向尺寸小，容易加工制造，對設備的振動和主軸的偏心都有一定的適應性。該種油封在高速轉軸上使用時，密封唇易發熱，當溫度超過密封唇的允許溫度時其密封效果將大大降低甚至失效，且無法使用于軸向存在熱脹冷縮的旋轉軸上。

非接觸式迷宮式密封廣泛應用于汽輪機、燃氣輪機、壓縮機的軸封以及各種回轉機器的油封。其密封機理是軸與殼體之間，帶有若干個依次排列的小游隙的凹凸環形密封齒組合，密封齒與軸之間形成一系列節流間隙和膨脹空腔，飛濺的潤滑油每通過一道密封齒，必將遇到很大的阻力，從而產生節流效應，使潤滑劑的速度不斷減弱，減速后的潤滑劑順著密封齒的內側流淌到環形空腔的下部，然后通過到環形空腔下部的回油孔返回軸承室內，達到防止潤滑油外漏的作用。其主要結構形式有直通型迷宮密封、參差型迷宮密封、復合型迷宮密封等[2]。

非接觸式迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，無固體接觸，允許有熱膨脹差存在，適應高溫、高壓、高轉速場合，并且結構簡單，性能穩定可靠；但該形式密封無防塵功能。

1.2 現用油封介紹

RHM100型號上充泵額定轉速為4657 r/min，驅動端軸承處泵軸直徑600 mm，表面線速度為14.6 m/s。在該轉速下，接觸式唇形密封會因磨擦發熱無法滿足連續運行一個解體周期的使用要求，且該上充泵泵軸在運行時存在向驅動端膨脹的趨勢。因此，該泵驅動端軸承室選用了非接觸式的迷宮式油封，其結構如圖1 所示，主要由動封與靜封兩個部件組成。動封是在軸套上開設節流槽形成，靜封安裝在軸承室端蓋上，設有1 道積油槽并開設2 個回油孔。泵運轉時隨軸承旋轉被甩起的潤滑油沿軸套向外泄漏，經過迷宮密封時被節流，最終匯集于積油槽，通過回油孔回流至軸承室內。

圖1 現有迷宮密封結構

2 缺陷成因

根據現有迷宮油封的結構，列出可能導致漏油缺陷的原因：①迷宮密封的密封齒嚴重磨損或損壞；②軸承室油位偏高；③迷宮油封與軸的間隙偏大；④安裝時，油封回油孔的位置不正確或堵塞等；⑤油封設計缺陷。采用魚骨圖工具分析漏油缺陷的根本原因[3]，如圖2 所示。

圖2 充泵油封漏油缺陷魚骨圖分析

2.1 密封齒磨損因素分析

當油封的密封齒發生磨損時，其節流效果大大降低，影響密封效果甚至失效。現場將上充泵驅動端軸承室解體檢查，軸套上的密封齒未見有磨損情況。故可排除密封齒磨損導致漏油的可能。

2.2 軸承室油位高因素分析

該上充泵驅動端軸承室的油位有上限與下限油位。處于上限油位時液面距軸心48 mm，此時潤滑油量為545 mL；處于下限油位時液面距軸心56 mm，此時潤滑油量為476 mL。油封的動封外徑為76.8 mm，靜封孔徑為77.1 mm；當油位處于上限位時，液面距密封間隙處距離為9.45 mm，靜止狀態下的潤滑油不會直接沿密封間隙滲漏。另檢查上充泵緊急補油工單發現1 號泵（只在切泵時作為備用泵啟動，其余時間為停運）未出現過緊急補油情況，說明上充泵在停運時無泄漏。

通過以上兩點可以排除因油位高導致漏油的可能。

2.3 密封間隙過大因素分析

該上充泵驅動端軸承室油封的動靜封尺寸，動封77.1 mm，靜封76.8 mm，配合間隙（單邊）0.15 mm；迷宮密封間隙一般取值0.25～0.5 mm，而該上充泵迷宮間隙為0.15 mm，其密封效果更佳。

故可排除因迷宮密封間隙過大導致漏油的可能。

2.4 回油孔位置安裝錯誤或回油孔堵塞因素分析

迷宮油封的回油孔正確安裝位置應是回油孔處于6 點鐘方向，此時能保證積油槽內的潤滑油在最低點流回軸承室內。若回油孔堵塞，潤滑油無法回流至軸承室，則會沿密封間隙外漏。

現場解體軸承室檢查未見回油孔位置安裝錯誤以及堵塞情況。因此可排除由此導致潤滑油泄漏的可能。

2.5 油封設計缺陷因素分析

該上充泵驅動端軸承室的兩油封與軸承的距離不同，機封側油封與軸承的距離為9 mm，聯軸器側油封與軸承的距離為20 mm。當軸承距離油封很近時，由于軸承轉動，使油獲得一定能量而飛濺到密封間隙位置，這種能量將轉化為壓力，會促進潤滑油外漏。由于該上充泵所使用油封的節流槽開設于轉動的軸套上，當泵高速旋轉時，會促進潤滑油沿軸套向外流動。兩個因素疊加致使靠近機封側的油封發生漏油。而靠近聯軸器的油封距軸承較遠，飛濺的潤滑油在到達密封間隙時已回落至軸承室，油封能夠起到正常的密封作用。

3 油封優化方案

為解決上充泵驅動端軸承室漏油缺陷，提高關鍵敏感設備可靠性，降低人員進入輻射控制區頻率，減少消缺成本，需對上充泵驅動端軸承室油封進行優化以解決漏油缺陷。優化方案考慮了兩個方面的問題：①優化方案簡單易實施，對于泵本體的改動盡可能的少；②能夠保證密封性，減少潤滑油的泄漏量。

基于以上兩點，對上充泵驅動端軸承室的油封進行如下優化：取消原軸套上的節流密封槽，在原靜封上開設節流密封槽，并設置回油孔。以上改動均以原密封尺寸為基準，對泵本體結構無改動。改進后的油封效果如圖3 所示。

圖3 改進后的油封效果

將改進后的油封放置于同型號的上充泵上進行可靠性驗證。啟泵后經歷20 h 的連續運行，期間泵啟停次數為10 次，檢查驅動端軸承室漏油量為4 滴。驅動端軸承室的上限油位與下限油位之間潤滑油容積為69 mL。驅動端軸承所用潤滑油為美孚DTE 中級VG46 礦物油，測量1 mL 該牌號潤滑油大約為10滴。按照實驗時的泄漏率計算，69 mL 潤滑油能夠滿足連續運行3400 h。對改進后的油封進行3 次可靠性驗證，其泄漏率基本一致，因此認為改進后的油封可以滿足現場上充泵驅動端軸承室的密封要求。

4 結論與建議

經現場檢查分析，確定RHM100型號上充泵驅動端軸承室靠近機封側油封漏油的根本原因，并將原有油封進行改型優化，經試驗驗證后，新型油封的密封性能能夠滿足現場使用要求。

對于軸承室的油封設計應考慮油封與軸承的距離，保證潤滑油不會直接甩至密封間隙處而引起泄漏。