反应堆核主泵轴密封的设计特点

1. 引言

反应堆冷却剂泵 (简称主泵) 被称为压水堆核电站的心脏, 是反应堆一回路上唯一的转动设备, 它的设计结构复杂, 不仅要求能长期连续的运行, 而且要求能在正常工况以及事故工况下尽可能实现零泄漏。压水堆核电站大都采用轴封式主泵, 在密封腔体内安装有轴密封 (机械密封) , 并且为轴密封配有一套复杂的辅助系统。当主泵正常运行以及事故工况时, 轴密封将防止高温高压的一回路介质延泵轴向上泄漏。

流体动压式轴密封, 其特点是使用寿命长、运行时能够动态调节平衡压力、模块化设计、单级密封可以承受系统全压。

2 轴密封的工作压力分布

轴密封的工作介质为压力略高于一回路介质的注入水, 三级密封依次分担三分之一的压力。注入水经节流降压经高压泄漏管线排出;而第三级轴密封面的少量泄漏通过低压泄漏管线排入疏排水系统。三级密封工作时的注入水分流以及压力分配通过四组经精确设计标定的节流管线实现, 分别为:

3 轴密封的设计

单级轴密封利用流体动压原理工作, 在静环的密封面上研磨出波纹型的楔形面, 使得动环和静环的之间形成收敛式的间隙。在主泵起动前, 必须先供应足够压力和流量的注入水, 当主泵启动时, 动环带动注入水沿密封面圆周方向流动, 在楔形槽内产生流体动压效应, 令静环脱开并形成液膜[1]。动压液膜在密封面前后的压差作用下保持一定量的泄漏进入低压侧, 同时也对摩擦副进行润滑和冷却。

轴密封采用模块化设计, 每级轴密封都完全相同, 可以互换。轴密封组件采用集装式装配, 可以从泵体内整体取出进行更换。

4 轴密封的工作状态

2000L/h的注入水进入密封腔内, 经过分流孔进行分流。其中约800L/h沿外环内的流道继续向下进入1#密封腔 (15.1MPa) 作为高压侧, 这路注入水的约785L/h继续向下经下导轴承最终汇入泵壳内;剩余15L/h经密封面泄漏至2#密封腔 (10.1MPa) 内。

另外一路1200L/h再次分流, 其中600L/h经1#节流管降压为10.1MPa进入2#密封腔, 另600L/h经2#节流管压力降为5MPa进入3#密封腔。

进入2#密封腔的600L/h注入水, 将同时作为第2级轴密封低压侧和第3级轴密封高压侧, 继续经3#节流管降压至0.3MPa, 并由高压泄漏管线引出。第2级轴密封前后压差仍然保持5MPa, 密封面泄漏量约为15L/h, 进入3#密封腔。

经2#节流管降压的600L/h流量将作为第3级轴密封的高压侧, 并再次经过4#节流管降压至0.3MPa, 汇至高压泄漏管线引出。第3级密封的低压侧同环境连通, 为常压0.1MPa, 密封面前后压差仍保持5MPa, 泄漏量约为15L/h至低压侧, 并经低压泄漏管线引出。在低压泄漏管线上设置有流量监测装置, 以判断第3级轴密封是否失效。

轴密封的正常运行对注入水的需求量是2000L/h, 当注入水流量偏低时, 密封面的泄漏量将偏小, 不利于摩擦副的冷却, 当注入水流量降低至1500L/h时, 应急注入水系统将自动投运, 对注入水进行补充。

5 轴密封运行特点

5.1 注入水流量和温度控制

在运行中, 密封面摩擦副之间的相对运动会产生热量, 导致低压泄漏流温度升高, 由于低压泄漏流已经是常压, 如果注入水温度过高, 将造成低压泄漏流的汽化, 带来放射性泄漏的风险, 因此需将注入水温度控制在50℃以下。

5.2 不同工况下轴密封的泄漏量稳定

流体动压密封的密封面泄漏量主要同密封面间隙的高度和形状有关, 需要经过精确的设计加工, 以实现所需要的流体动压效应。为了将轴密封的环境温度、压力发生变化带来的影响将至最低, 轴密封组件的材料选择和结构设计需要保证密封面有低的热变形量和足够的刚度;轴密封组件内还有一组经过弹性模量精确计算的弹簧, 可以在一定范围内对由于压力或温度波动造成的密封面间隙变化进行动态平衡调整[1]。

5.3 单级轴密封可以承受系统全压

轴密封的设计不仅要考虑正常工况, 还需要考虑事故工况, 特别是当第1、2级轴密封同时失效时, 第3级需要承受15MP的压差, 经试验验证, 此工况下低压泄漏仅增大至约30L/h。

5.4 三级轴密封可以互换

模块化设计使得单级轴密封之间可互换。每级轴密封的磨损消耗情况并不相同, 第3级轴密封由于发热量大, 工作环境相对更为严苛, 因此通常可在一个运行周期后, 将第1、2级轴密封同第3级进行互换, 以延长整套轴密封系统的使用寿命。

5.5 应急注入水

在发生注入水减少或断失事故时, 辅助系统将提供应急注入水保证轴密封短时可。应急注入水是从叶轮背面的高压区引出一部分一回路的介质, 经高压冷却器冷却至50℃以下后提供给轴密封系统。需要指出, 虽然在该工况下轴密封是可以长期运行的, 但由于应急注入水利用的是高放射性的一回路介质, 实际上不宜长期运行。当正常注入水断失时, 运行人员需要立即对主泵进行干预。

5.6 模块化设计缩短更换时间

前文提到的轴密封模块化设计, 同时也保证了更换的便利性。两个熟练操作人员可以在7小时以内完成主泵内整套轴密封的更换工作。

6. 轴密封的维护与检查

主泵的使用维护手册要求对轴密封的检查周期为1年, 但考虑到电厂运行的经济性, 当轴密封运行的各项数据均正常的情况下, 通常选择在换料停堆期间仅对1台主泵进行拆检, 两台主泵分别轮流进行维护。通常电厂会为每个机组配1套轴密封组件作为备件, 停堆期间直接更换备件, 以保证待维护主泵能随时投运。

轴密封的检查必须由专业技术人员进行, 特别是电厂内通常不具备对轴密封零部件进行详细检测的条件, 更需要富有经验的专业人员通过对动环磨损量的测量, 并结合密封面外观、波纹形状等常规手段进行判断。

7 结束语

该流体动压机械密封技术成熟, 经过在核电站主泵上的多年应用, 证明能够满足严苛的主泵运行要求。

摘要：目前我国压水堆核电站大都采用轴封式主泵, 轴密封是主泵的重要组件, 保证了正常工况下放射性反应堆冷却剂不会经由主泵向外泄漏。轴密封设计结构复杂, 加工精密, 目前国际上仅有少数的主泵供应商掌握了该技术。

关键词：核电站,反应堆冷却剂泵,主泵,轴密封

参考文献

[1] :陈捷.巴基斯坦恰希玛核电站主泵轴密封[J].水泵技术2003 (1)