核電廠主給水泵機械密封故障研究及改進

蘇州熱工研究院有限公司、國家核電廠安全及可靠性工程技術研究中心 王 位 張江紅 馬沂藎 黃立軍

1 REEP型進口機械密封的故障分析

某壓水堆核電廠2019年至2021年集中出現了壓力泵機封異常泄漏的問題，通過對現場使用過的REEP型機封拆解，可以確認RREP類型機械密封屬于單端面、平衡型、彈簧靜止式密封。摩擦副采用石墨/碳化硅配對，副密封采用乙丙橡膠O形圈；動環內置于泵效環一并放置于軸套上，通過鍵傳動傳遞扭矩；泵效環驅動介質于密封腔和換熱器之間循環，保護密封副免受溫度異常而損壞；靜環置于靜環座，彈簧均布于靜環座背面，一并內置于壓蓋腔內，并通過銷釘防轉；采用均布小彈簧提供彈力，保證摩擦副端面貼合，受力均勻；軸套與泵軸采用定位環和鎖緊螺母實現軸向固定和扭矩的傳遞；壓蓋與泵腔采用螺柱和螺母實現軸向固定。

1.1 故障現象描述

某壓水堆核電廠RREP類型機械密封運行期間，多次出現泄漏量異常升高，達到4L/h以上，甚至達到99L/h，引漏管內有黑色水（含石墨粉）漏出。機械密封故障過程中常伴隨著密封腔溫度異常升高的現象。機封拆解后發現，密封副端面磨損異常，部分機封靜環（石墨環）凸臺（原設計值為2mm）已經完全磨損，動環（碳化硅環）密封面有1～2mm深的不均勻磨損痕跡，有干摩擦的痕跡，部分機封碳化硅環已完全崩碎。靜環座浮動位置處有明顯摩擦痕跡[1]。

1.2 故障模式分析

機械密封通過彈簧力和介質力的共同作用下，在泵運行過程中使密封動、靜環隨時保持貼合，進而阻止密封介質泄漏，形成動態平衡。一般情況下，機械密封泄漏點包括：密封端面處泄漏；輔助密封O形圈處泄漏；密封環、金屬結構件等出現孔隙、裂紋發生泄漏[2]。密封端面處泄漏原因。密封端面處發生泄漏一般是由于密封端面過度磨損，造成密封面損壞，無法起到密封作用；密封補償環追隨性差，密封端面無法貼合，進而泄漏；輔助密封處泄漏原因。密封輔助密封處發生泄漏一般是由于副密封在運行過程中發生磨損，造成橡膠損壞，發生泄漏；輔助密封本身缺陷；檢修時安裝不當造成副密封損壞；結構件存在孔隙；裂紋發生泄漏原因。密封環孔隙、裂紋原因。材料本身缺陷、安裝不當造成密封環損壞；金屬結構件孔隙、裂紋原因。材料本身缺陷、加工工藝不當。根據對機械密封故障模式的排查，總結出RREP類型機械密封設計上的不足和可能產生泄漏的原因見表1。

表1 機封泄漏模式排查過程

1.3 RREP機械密封故障原因總結

通過對原RREP機械密封的整體檢查和故障排查核實，發現其副密封及彈簧補償機構正常，密封過度泄漏的直接原因是動環（碳化硅）的表面剝落崩碎，靜環（石墨）的嚴重磨損，其根本原因如下。

沖洗循環水流量不足。其由泵效環泵送介質于密封腔和換熱器之間循環，所以根本原因為泵效環的結構設計不夠完善，不滿足泵效要求。該機械密封運行壓力為4.56MPa（Max），介質溫度177℃，沖洗循環水流量不足將導致密封端面溫度升高，機械密封端面不能形成穩定液膜，甚至在端面泄漏低壓側出現汽化現象，汽化半徑靠近外徑，造成端面液體潤滑區域面積過小，引起石墨環的磨損加重，產生大量的摩擦熱，惡性循環最終導致機封損壞。

密封環材質性能不滿足現場使用要求。其中，機械密封靜環采用石墨環材質，動環采用碳化硅環，抗彎強度及彈性模量較小且熱傳導性較差，在機封溫度高時靜環與動環接觸中石墨靜環容易產生變形、磨損，碳化硅環端面溫度過高則易導致剝落崩碎；金屬結構件缺陷影響。彈簧加載墊圈在機組運行時在靜環座上微動，雖然彈簧加載墊圈外層包覆材料是復合材料，具有自潤滑性及較高的強度，但經過一段時間的運行，靜環座上易被磨出痕跡，導致摩擦系數增大，彈簧加載墊圈在某一瞬間容易卡滯在靜環座上，不能有效進行補償，將使動、靜環分開，引起泄漏量異常增大。

2 新型國產機械密封設計改進

2.1 新型機械密封設計思路

根據原進口的RREP類型機械密封故障分析研究，其泄漏主要原因是泵效環設計不合理，密封環材質性能不滿足現場使用要求，金屬結構件缺陷影響。雖然機封設計參數在正常范圍內，但設計參數可以進一步優化。結合原進口RREP機封使用經驗，為國產機械密封提出如下優化思路：泵效環修改為雙螺旋泵效環，增大沖洗循環水流量；在密封環上增加斜面槽，改善端面潤滑；副密封材質修改為更適合高溫、高壓運行環境的全氟醚橡膠；在靜環座浮動位置處噴涂WC涂層，增加耐磨性。

2.2 新型國產密封與原進口密封對比

通過機械密封性能檢測和計算，并與新型國產水泵機械密封設計參數比較，新型國產機械密封與原進口RREP機封對比整體設計參數（見表2）在合理范圍內，性能略優。

表2 機械密封設計參數對比表（一般推薦端面比壓）

2.2.1 機械密封總摩擦功耗對比（見表3）

表3 機械密封端面摩擦熱對比表

對于接觸式機械密封的端面摩擦熱為：QF=fPCAf×Af[1]，其中：f為摩擦系數，接觸式密封，動環石墨材料，靜環碳化硅材料f=0.02，由于設計端面開有潤滑槽，需要考慮1.5倍安全系數，取f=0.03。Af為密封端面面積，m2；PC為密封端面比壓，N/m2；V為密封端面平均速度，m/s。

因無法精確計算原進口RREP機械密封結構參數，因此合并參考國產機械密封的密封攪拌熱的計算。對于接觸式機械密封的端面旋轉時的攪拌熱為：，其中：L為流道特征長度；L=0.0955m；R為流道特征半徑；D2=0.147m，D1=0.19m；R=（D2+D1）/4=0.084m；V3為旋轉件外圓周速，m/s；V3=3.14×0.19×4775=47.5m/s；ρ為密封腔內液體的密度，kg/m3，對于水，ρ=1000kg/m3；CM為損耗系數。CM=0.65（c/R）0.3Rec-0.2，(104＜ReC時）。

決定流動狀態的雷諾數為：ReC=VSCρ/μ，式中：c為密封腔間隙，m；c=（DS-DC）/2=0.0005m；DS為密封腔內徑，m；DS=0.191m；DC為旋轉件外徑，m；DC=0.19m；μ為液體動力粘度，Pa·s；常溫時，μ=1×10-3Pa·s；當雷諾數ReC＞2000，流動處于紊流狀態；反之，流體處于層流狀態。綜合計算密封攪拌發熱：QA=25.12kW。

2.2.2 最小沖洗流量對比

為了控制密封端面溫度，一般采取沖洗措施來改善密封的工作環境，延長密封的使用壽命。確定密封的沖洗量時應考慮到端面摩擦熱和旋轉元件的攪拌熱，設定允許溫升條件下將這些熱量帶走。可以通過計算密封產生熱量來確定密封最小沖洗流量。

機械密封的發熱量等于機械密封總摩擦功耗與傳導熱量之和，即P=Q(總摩擦功耗)+Qhs(傳導熱量)由API682標準，密封沖洗介質的溫升可以由以下公式進行計算：ΔT=60000×P/d×qinj×CP，其中：P為密封端面產生的熱量，kW；Qhs（傳導熱量）=U×A×Db×ΔT（其中：U×A=0.00025；Db密封平衡直徑；ΔT=177-85=92℃）；d為泵溫下沖洗流體的比重；qinj為沖洗流體流量，L/min；CP為泵溫下沖洗流體的比容，J/（kg·K）；按經驗選取密封室正常工作溫度：75～85℃，沖洗液出、入口溫差：ΔT=16℃（對于沖洗方案23的隔離/緩沖流體，最大溫升應限制在16℃），常溫水為Cp=4.174kJ/（kg·K），d=0.985[3]。其中，RREP類型機械密封所需最小沖洗流量qinj30.5kW，國產機械密封所需最小沖洗流量qinj29.1kW。

由于泵效流量會根據現場管線、換熱器管阻等影響大幅減小，現場運行和試驗臺架運轉對比，RREP類型機械密封泵效循環流量約為18L/min，國產改進型機械密封雙螺旋泵效循環流程約為40L/min，國產改進型機械密封泵效循環流量明顯大于所需的最小沖洗流量。

2.2.3 其他

密封端面設計對比。國產改進型機械密封通過密封環端面增加斜面槽的方法增大密封開啟力，改善了端面潤滑，降低端面磨損。假設轉速、壓力、溫度、假設膜厚一定的情況下，應用FTSI軟件計算結果，對比不同槽數的端面壓力（開啟力（N））分布如下：2/50.72、3/289.24、4/437.80、5/514.09、6/556.12、7/581.87。

靜環座浮動位置工藝對比。針對RREP類型機械密封運行后靜環座浮動位置處產生磨痕的問題，國產改進型機械密封在靜環座浮動位置處噴涂WC涂層，涂層顯微硬度HV0.3900，抗拉強度≥65MPa，孔隙率≤1.5%，具有耐磨損的特點，可以更有效控制彈簧加載墊圈在靜環座微動過程中生成磨痕。

密封環材質對比。國產新型機械密封靜環采用碳化硅材質，即碳化硅石墨復合材料，主要由石墨（30%～50%）、碳化硅（45%～65%）以及少量的硅（＜15%）組成。同時具有碳化硅硬度高，機械強度高、耐磨性和石墨的自潤滑性能與抗熱震性能。

新型國產機械密封在密封環端面開設有斜槽，增加了密封的潤滑性能，有效地降低了機械密封在高溫度運行工況下的磨損；在螺旋套和壓蓋之間設計為雙螺旋結構，有效提高了密封的泵送能力，提高換熱效率降低了密封副的溫度，改善運行環境；在推環與C形圈配合處采用噴涂硬質金工藝，有效提高其耐磨性能并降低其粗糙度，在主給水泵運行過程中，推環和C形圈僅相互做微浮動運動；將靜環的石墨材質替換為硅化石墨，在保持原有自潤滑性能與抗熱震性能的前提下提高機械強度、耐磨性；明顯提高原機械密封壽命。此機械密封裝置優化結構不僅考慮了機械密封在穩定工況和變條件下的對端面形的影響，同時也考慮了機械密封端面的潤滑和冷卻措施，并且還考慮了副密封處對密封端面追隨性的影響。