一種新型水泵軸封的失效分析與改進優化

霍偉奇

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

采用CPR1000 壓水堆型的核電廠，單臺機組的循環冷卻水流量可以達到每小時18 萬噸左右，循環水泵基本采用單機雙泵配置，且未設置備用，屬于典型的單級重載立式離心泵。

由于循環水泵的介質為海水，運行工況較為惡劣，若軸封失效將導致海水介質上竄，導致淹沒泵殼或進入軸承室等，嚴重影響循環水泵的正常運行，進而使得機組功率出現非計劃減載，甚至被迫停機停堆，因此對于水泵軸封的可靠性有較高的要求。目前技術較為成熟的軸封形式為盤根密封、機械密封等，但以上兩種密封均無法對運行的軸封進行實時的狀態監測。

因此，某些核電廠的循環水泵采用了IHC 公司生產的新型唇形密封，其主要的優點為可通過對軸封溢流量的量化監測，判斷軸封的運行狀態。當軸封溢流量達到初始20%時，軸封狀態將達到失效狀態，從而使設備獲得最經濟有效的維護。

1 軸封結構介紹

密封組件由3 個L 形單元組成，分別為阻垢單元、減壓單元和密封單元。

（1）阻垢單元：安裝在套件最下方，由1 道帶有彈簧的唇形密封及帶有特殊截面形狀的螺旋凹槽的襯套組成，其可以避免污垢（如海水中的泥沙）進入減壓單元。

（2）減壓單元：安裝在套件中間，由1 道帶有彈簧的唇形密封及帶有特殊截面形狀的螺旋凹槽的襯套組成，其承擔壓力載荷，運轉時少量連續液體經過軸套上特殊的凹槽流過唇封的工作表面，為其提供潤滑、冷卻和沖洗。

（3）密封單元：安裝在套件最上方，由1 道帶有彈簧的唇形密封及無凹槽的襯套組成，阻止沖洗水泄漏到環境中，大部分情況下其工作在無壓環境中。

2 軸封工作原理

IHC 密封屬于軸封中的水潤滑的特種唇封：在密封唇中埋入金屬骨架，使用螺旋箍簧進行預緊，在軸套表面的噴涂層上開有凹槽，減壓單元和阻垢單元對稱布置，凹槽截面形狀為不等邊的鈍角三角形，以螺旋方式纏繞在軸套上，軸套上的螺旋狀凹槽在圓周速度作用下使水流經凹槽和唇形密封之間。軸封工作原理如圖1 所示。

圖1 軸封工作原理

在此過程中，由于凹槽的存在，水沿圓周方向產生流體動壓效應，導致液膜局部壓力升高，將唇封“撐”開，使唇封內表面與軸套外表面完全分開，此時膜壓力與唇封外側的沖洗水壓力和彈簧力達到平衡，唇封在此膜厚下進入穩定工作的狀態。

螺旋凹槽除可產生流體動壓外，同時具有泵送作用，可根據凹槽旋向和泵軸旋向將密封一側的液體泵送至另一側，另一側液體泵送回同側，產生一定的回流，增加密封效果。

3 軸封沖洗水設置及作用

軸封組件設置有3 個接口，分別為沖洗水進水口、沖洗水溢流口和疏水口。沖洗水主要作用為軸封提供潤滑、冷卻和沖洗，對其有兩個基本要求：①沖洗水壓力不能低于泵腔壓力，但不能超過唇封的承載能力；②要求沖洗水顆粒度應足夠小且必須達到一定流量，這樣才能保證3 個單元的正常工作。

4 軸封沖洗水壓力低對壽命的影響

注入沖洗水壓力降低至某一定值時，被密封的海水介質將通過阻垢單元進入注入水密封腔，這將導致阻垢單元密封面由海水潤滑。因海水中含大量顆粒雜質，阻垢單元會短時快速磨損，流量隨之減小。但當其完全磨損后，流量會突然增大，大量海水上沖至注入水密封腔，導致密封完全失效，故沖洗水壓力低將直接影響軸封組件的壽命。

結合上述理論分析，原設計上對軸封沖洗水壓力設置了壓力低跳泵信號，以保護軸封組件的可靠性。在實際運行過程中，由于沖洗水是由公用供水系統提供，該系統的設計可靠性較差，多次出現因軸封沖洗水供水壓力不足和波動，導致循環水泵跳泵，進而導致機組出現停機停堆的重大事件，嚴重影響核電廠的經濟效益。

因此，在上述分析內容基礎上，將通過計算，對比長期運行跟蹤數據，量化分析軸封沖洗水壓力低對軸封壽命產生的影響。

為方便分析計算，對模型的簡化與等效假設如下：①軸封在全流體潤滑條件下，產生的液膜是連續的；②由于液膜厚度（微米級）遠小于半徑方向的長度，故以平面模型代替圓周模型；③沖洗水流量大，溫升較小，忽略溫升導致的零部件熱膨脹對液膜厚度的影響；④凹槽均布，周期內壓力分布完全相同，取1 個周期進行計算。

基本參數：入口壓力0.7 MPa，出口壓力0，螺旋升角15°，凹槽數量6，周期角度60°，半徑250 mm，唇封軸向長度26 mm，轉速180 r/min，幾何模型如圖2 所示。

圖2 幾何模型

經過計算后壓力分布如圖3 所示，可見流體在槽區產生了動壓效應，使唇和軸套完全脫離，減少軸封運轉時的發熱量和磨損，提高了軸封的使用壽命。

圖3 平面壓力分布

速度矢量分布如圖4 所示，可以看到在此壓差下，沖洗水均流向回水管線側，計算流量約為220 L/h，與現場實際流量對比，誤差在5%之內，該模型可靠。

圖4 速度矢量分布

根據現場2015 年的典型設備溢流量監測數據，做出隨時間變化的散點圖，并同時對比計算數據進行擬合，趨勢基本一致，如圖5 中散點位置。進而對計算數據進行指數擬合并前推，從而分析出沖洗水壓力低對軸封壽命的影響。

從圖5 可以看出，根據目前現場數據推測出MTBM（Mean Time between Maintenance，平均維修間隔時間）時間點為2017 年10 月，而沖洗水壓力低的工況下MTBM 時間點將提前到2016 年2 月，壽命縮短了14 個月。可以算出在沖洗水壓力低工況下，MTBM 值將縮短為正常工況下的1/4，相當于軸封每在沖洗水壓力低工況下運轉1 h 將導致其壽命至少縮短3 h，壽命縮減的時間是運行時間的3 倍。

圖5 軸封壽命失效預測曲線

值得注意的是，以上結論都基于假設條件：在不同的沖洗水壓力下，經過相同的運轉時，其磨損情況是相同的。且海水中顆粒的影響也由于無法估算而選擇忽略，但實際上沖洗水壓力低時正常磨損與顆粒磨損都必然加劇，故上文中壽命縮減的時間與運行時間的比率將遠大于計算值。

因此，當軸封在沖洗水壓力低工況下工作時，考慮實際情況并取一定安全系數，壽命縮減的時間與運行時間的比率至少應在6 倍以上。

5 結語

考慮到IHC 設計的MTBM 值為60 個月，所以當出現軸封供水壓力低異常后，其壽命將縮短至10～20 個月，若輔以加強監測的管理措施，基本可滿足設備在最近的大修活動中進行處理。基于以上量化分析和論證，取消軸封水供水壓力低導致循環水泵跳閘的設備保護信號是可行的，從而避免核電機組由此產生非計劃性的能量損失與機組瞬態，保障機組運行穩定可靠。