三代压水堆核电站核二级低压安注泵用机械密封研制

0 引言

核电是一种清洁安全、无温室气体排放的能源，是替代现有不可再生、污染严重火电等矿物能源的重要选择，我国已经把核能发电确定为国家层面的重大战略。核能发电关键设备、零件的国产化是影响国家战略能否顺利实施的重要环节之一。为此，国家发展改革委、工业和信息化部等部委织编制了《中国制造2025—能源装备实施方案》。《实施方案》中，将关键核级泵（轴承、机械密封）列入了核电装备技术主攻方向。

我国自主化研发的新一代压水堆核电站，对于核级泵用机械密封提出了更高的要求，核级泵用机械密封作为核级泵的关键零部件之一，其运行的稳定性及可靠性直接影响泵组能否完成预期功能。该系列机械密封的成功研制，代表我国真正掌握这一核心技术，提高我国百万千瓦级核电装备的自主化率，促进我国核电关键设备国产化进程的加快，有着重要的社会和经济效益。

1 设备概述

1.1 低压安注泵概述

低压安注泵是核电站中的核二级泵，是安全注入系统RIS的构成部分。它位于安全壳内，系统的主要功能是在反应堆冷却剂失水事故以及蒸汽管线破裂或给水管线破裂事故中提供安全注入，将安全壳内压力和温度降低至可接受水平，以保持安全壳的完整性。目前该泵的结构大致为立式、筒袋式、多级离心泵。

1.2 低压安注泵机械密封的工况

1.2.1 运行介质

低压安注泵输送介质参数如表1所示。

表1 介质参数表

1.2.2 设备分级

机械密封所属分类为质保等级Q1、抗震类别1A、清洁度等级B、应耐辐照。

1.2.3 运行参数

运行转速：1 480 r/min；设计压力：2.0 MPa；冲洗方案：无外部冷却源，该泵用机械密封只能采用自冲洗的方式应对160 ℃的高温工况。

1.2.4 运行工况

机械密封作为低压安注泵用的关键零部件之一，需要在机械密封的寿期内承受泵组的各种工况，主要包括：

定期试验和误启动，由40 ℃瞬时降到7 ℃，并反之，40年共800次；

LOCA和蒸汽管线破裂，由7 ℃逐渐升到160℃（暂定），在4 h内由160 ℃（暂定）降到60 ℃。

1.2.5 运行要求

泄漏量Q：稳定运行时Q≤5 mL/h；启停时Q≤10 mL/h；极限工况稳定时Q≤10 mL/h。

密封件使用寿命不低于16 000 h。

1.2.6 功能要求［1-9］

低压安注泵装置及其部件应设计成能承受极限安全地震动（SL-2）而不降低品质。这意味：在发生SL-2期间及其后，都必须维持结构完整性和设备可运行性。

在轴穿出泵体的部位，使用单级、平衡型机械密封提供泄漏保护。

静密封环应设计成封闭运转间隙，以防止密封和轴之间的泄漏。

1.3 试验考核

1.3.1 热冲击试验

4 h内泵送介质温度从7 ℃逐渐升高到160℃（暂定），并在4 h内由160 ℃降到60 ℃。

1.3.2 杂质试验

在最大设计压力与温度下，以带有固体杂质的1.25%硼酸溶液为工作介质，对机械密封进行转速为1 480 r/min的持续性试验。

流体含混凝土、绝缘物体、油漆等固体颗粒，其尺寸受φ2.1 mm筛网过滤器限制。固体颗粒浓度：混凝土和渣物：60 mg/kg；绝缘物料：20 mg/kg；油漆鳞片：12 mg/kg。

1.3.3 耐久性试验

在额定工况下，随机组运行200 h。

2 总体方案

根据上文的工况要求，低压安注泵的机械密封辅助系统采用API PLAN31方案［10］，从泵出口引泵送介质经过旋液分离器后冲洗机械密封。

机械密封采用单端面、平衡型、静止式、集装式的结构型式。机械密封剖面如图1所示。

图1 机械密封剖面

3 关键技术及措施

3.1 固定与传动方式

轴与轴套之间设置键实现扭矩的传递，机械密封转动部件在轴向上的定位与固定采用轴向台阶+螺母锁紧，提高机械密封在热冲击工况、地震工况下的可靠性。

动环传动与静环防转均选择圆柱销与销孔的间隙配合结构，更好应对热冲击工况。

3.2 160 ℃高温工况

在高温工况下，机械密封端面的压力分布沿着外径向内径侧逐渐降低，当端面处介质在低于饱和蒸气压时将发生汽化，使得端面液膜状态极不稳定，引起端面磨损加剧，严重时将使端面处于干摩擦状态，端面温度急剧升高，在极短时间内导致机械密封失效。

为了解决该问题，主要从2个方面进行重点考虑：（1）被密封的介质提供的促使端面分离的液膜反力将比常温工况增大，膜压系数增大近40%，此时必须提供足够闭合力确保端面处于贴合状态；（2）确保端面大部分介质处于液相状态，以获得良好的润滑和较低的端面温升。

在设计中，优选平衡系数及端面形状，使动、静环在压力变形和热变形的共同作用下，端面仍带有轻微的正热锥度系数并处于平行的状态，获得良好的端面润滑［11］。

同时，考虑到密封环在受压力和温度影响情况下端面的变形趋势相反（如图2所示），采用不同的端面尺寸组合（包括调整载荷系数与端面宽度以及摩擦副的断面形状），对压力变形和热变形进行耦合，控制摩擦副端面变形，提高实现密封预期功能的可靠性。

图2 端面变形趋势

3.3 泵启动时负压工况

因为低压安注泵功能原因，常布置在地坑内，常被设计为立式、多级离心式叶轮、筒袋式结构。在泵组启动时，密封腔内压力短时（15～45 s）出现负压，造成机械密封腔内失水，并容易引起常规机械密封结构中的静环在反压差作用下脱出，引起机械密封失效。

为了有效应对该工况，在总体结构上采用静止式机械密封，利用其静环组件与压盖之间长浮动距离确保负压时对结构无影响；在材料选择上选用采用热导率高、机械强度高的石墨材料；在设计上运用端面热管理技术，有效降低热梯度，控制并减少热变形，提高可靠性。

3.4 振动及地震工况

为了有效应对泵组振动，对密封追随性进行了优化设计：通过将弹簧布置在静环座与压盖之间，消除离心力对弹簧的影响，且不与泵送介质接触；同时采用多点布置，进一步确保均匀、稳定的弹力补偿；通过形位公差和表面粗糙度，进一步降低静环组件与压盖之间的浮动阻力。

针对地震工况，进行了计算校核，结果表明地震载荷不会引起端面比压过大加剧磨损， 也不会导致端面脱开引起泄漏。

4 优化设计

为了开展优化设计，通过建立计算模型开展压力变形、热变形的耦合分析，整体计算模型如图3所示。对于该密封的优化设计所选取的工况为：160 ℃、2 MPa、转速 1 495 r/min，首先获取160 ℃工况下的整体温度分布计算，结果如图4所示。

图3 计算模型

图4 温度分布

按照机械密封各零部件相互配合情况设置接触对，在2 MPa的介质压力下，分析载荷系数（调整端面宽度，不调整平衡直径）对于密封面两相状态的影响如图5所示（校核端面接触压力高于饱和蒸气压的面积百分比）。

图5 载荷系数与两相状态的关系

根据以上的分析计算，最终选择了最优化的端面宽度，整体的轴向变形见图6。同时，对于压盖按照核安全二级的承压件要求，根据温度与压力的载荷组合条件按工况进行了校核。压盖的O形圈沟槽位置出现应力最大值，采用加大倒角过渡，避免应力集中。对于静环座，对其变形也进行了校核与优化。

图6 轴向变形分析结果

5 试验

从2016年7月1日开始，机械密封随低压安注泵样机进行了各类工况的考核，尤其热态工况中无可见泄漏（在4 h内升温到170 ℃，并在此温度下连续运转了24 h，该项试验累计进行了3次），满足技术规格书的要求。

6 结论

（1）通过对低压安注泵的各类工况（尤其是事故工况）及泵体结构的分析，明确了机械密封所需达到应用指标，针对性提出了一类新型机械密封结构，经过试验验证可以满足使用要求。

（2）对机械密封进行整体建模，运行有限元分析手段，研究了各类载荷对应力分布和变形的影响，指导优化设计。

（3）对于高温工况，需要保证机械密封端面的介质大部分处于液相状态，以保证机械密封端面有良好的润滑。载荷系数的合理调整是关键影响因素之一。

（4）合理减小密封端面宽度，是降低端面发热量及摩擦副温度分布梯度，进而减小端面变形的有效途径，宽度的最小值应满足泄漏率的指标要求，在优化设计时应重点考虑。

（5）热载荷、离心力与介质压力可以实现一定的耦合，以控制端面变形，改善端面运行状态，提高密封使用寿命及可靠性。