核電廠凝結(jié)水泵機械密封失效分析1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 概述

1.1 凝結(jié)水系統(tǒng)功能與組成

凝結(jié)水系統(tǒng)(CEX)是介于汽輪機與低壓給水加熱器之間的系統(tǒng),為汽輪機熱力主循環(huán)中的重要組成部分，包括冷凝器、凝結(jié)水泵以及相關(guān)的閥門、管道等，其主要功能為通過凝汽器將汽輪機排汽冷凝，使汽輪機排汽端獲得高度真空，從而使機組能發(fā)出較高功率。而凝結(jié)水泵作為凝結(jié)水系統(tǒng)的唯一動力源，其重要性不言而喻。

秦山第二核電廠3/4號機組凝結(jié)水泵為筒袋型立式雙層殼體結(jié)構(gòu)，它由泵筒體、工作部分和出水部分組成。泵工作部分設(shè)有機械密封，用于隔離泵體內(nèi)的工作流體。其機械密封具體為某進口廠家生產(chǎn)的雙端面機械密封，由兩道密封串聯(lián)組成。如圖1所示。

1.2 汽輪機軸封系統(tǒng)組成

汽輪機軸封系統(tǒng)主要設(shè)有一臺軸封蒸汽冷卻器(CET001CS)、一個U型水封管及兩臺電動排風(fēng)機。汽輪機的所有軸封抽出蒸汽通過回汽管線與軸封蒸汽冷卻器相連。回收的蒸汽在軸封蒸汽冷卻器中經(jīng)凝結(jié)水冷卻凝結(jié)后，冷凝水經(jīng)由一個U型水封管排往凝汽器。冷卻器使各漏汽腔室保持輕微的真空狀態(tài)，以便抽吸漏入的空氣和密封蒸汽。兩臺容量為100%的電動排風(fēng)機從軸封蒸汽冷卻器中連續(xù)抽除空氣和其他不凝結(jié)氣體，排入廠房外的大氣。同時3臺凝結(jié)水泵的第二道機械密封冷卻水通過軸封冷卻器排水管線進入U型水封管排往凝汽器。汽輪機軸封疏水及排氣管道如圖2所示。

圖1 凝結(jié)水泵機械密封結(jié)構(gòu)圖

2 故障描述

秦山第二核電廠3號機組在306大修結(jié)束后(2017年6月)，3號主控間斷出現(xiàn)軸封冷卻器液位高報警(3CET004AA)，報警定值為100 mm，頻率5～6次每小時。現(xiàn)場觀察就地液位計發(fā)現(xiàn)軸封冷卻器(3CET001CS)液位緩慢上漲到高值(180 mm)，再快速下降，同時軸封蒸汽冷卻器壓力(3CET008MP)和液位(3CET001LN)的波動范圍也比4號機組大，3CET004AA報警趨勢如圖3所示。根據(jù)以往運行經(jīng)驗，現(xiàn)場凝結(jié)水泵第二道機械密封水入口壓力達到0.5 MPa時，軸封冷卻器液位高報警消失。在現(xiàn)場調(diào)整凝結(jié)水泵第二道機械密封水入口壓力時，發(fā)現(xiàn)壓力無法達到0.5 MPa，與以往運行經(jīng)驗不符。軸封冷卻器液位若出現(xiàn)不可控，冷凝水進入軸封冷卻器排風(fēng)機導(dǎo)致汽輪機軸封系統(tǒng)失效汽輪機蒸汽外漏，機組將被迫進行停機處理。由于缺陷的嚴重性，該缺陷被列入秦山第二核電廠十大技術(shù)缺陷管理。

圖2 汽輪機軸封疏水及排氣管道示意圖

圖3 3CET004AA報警趨勢圖

3 故障原因分析與確認

3.1 故障原因分析

根據(jù)以往運行經(jīng)驗，現(xiàn)場凝結(jié)水泵第二道機械密封水入口壓力達到0.5 MPa時，軸封冷卻器液位高報警消失。306大修后在現(xiàn)場調(diào)整凝結(jié)水泵第二道機械密封水入口壓力時，發(fā)現(xiàn)壓力無法達到0.5 MPa，與以往運行經(jīng)驗不符，同時結(jié)合軸封冷卻器疏水及排氣管道系統(tǒng)流程，對引起軸封冷卻器液位高報警的初步原因分解如圖4所示。

對表1中的故障點進行整理得出，造成軸封冷卻器液位高報警的可能原因主要有供水管線外漏，供水管線存在節(jié)流，凝結(jié)水泵第二道機械密封回水管線外漏，凝結(jié)水泵機械密封外漏，凝結(jié)水泵機械密封內(nèi)漏，U型水封套筒本體存在泄漏，U型水封套筒排往凝汽器的管路存在泄漏，U型水封套筒排往凝汽器的管路局部堵塞，3CET001SN故障。根據(jù)這些原因制定了故障因數(shù)表1，針對故障因數(shù)明確檢查方法及檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 故障原因分析圖

序號故障原因故障點確認方法標(biāo)準(zhǔn)1凝結(jié)水泵第二道機械密封冷卻水供水壓力不足供水管線外漏現(xiàn)場檢查無外漏供水管線存在節(jié)流RT檢查管線閥門管線閥門通暢凝結(jié)水泵第二道機械密封回水管線外漏現(xiàn)場檢查無外漏凝結(jié)水泵機械密封外漏現(xiàn)場檢查無外漏凝結(jié)水泵機械密封內(nèi)漏超聲流量測量無內(nèi)漏2U型水封體真空破壞U型水封套筒本體存在泄漏氦查漏無泄漏U型水封套筒排往凝汽器的管路存在泄漏氦查漏無泄漏3疏水管線局部堵塞U型水封套筒排往凝汽器管線局部堵塞RT檢查管線無堵塞4儀表故障3CET001SN故障儀表校驗校驗合格

現(xiàn)場對軸封冷卻器及其附屬管線與凝結(jié)水泵機械密封及其附屬管線進行檢查，確認凝結(jié)水泵機械密封及其供回水管線無外漏。校驗3CET001SN合格，同時對比就地3CET001LN趨勢與3CET001SN一致，確認3CET001SN合格。對U型水封套筒本體及其管線進行整體氦查漏，確認無泄漏。RT檢查凝結(jié)水泵第二道機械密封供水管線閥門與U型水封套筒排往凝汽器管線，確認無堵塞。通過對可能故障原因的排除法，將導(dǎo)致軸封冷卻器液位高報警的主要原因鎖定在：凝結(jié)水泵機械密封內(nèi)漏。

3.2 故障原因確認

3.2.1 歷史資料查閱

查閱技術(shù)改造資料，3/4號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封冷卻水在302/402大修進行了技術(shù)改造(ENG2012-101)。按照原設(shè)計，引凝結(jié)水通過3CEX400VL(此閥門在技改時已取消)接入軸封冷卻器疏水管線匯合后進入U型水封筒體，見圖5。咨詢運行部門得知此閥門在調(diào)試期間就是保持一定開度給U型水封筒體連續(xù)注水最后到凝汽器。技改后，引入的凝結(jié)水通過3臺凝結(jié)水泵第二道機械密封接入軸封冷卻器疏水管匯合后進入U型水封筒體，見圖6。

查閱存檔的KIT歷史數(shù)據(jù)，確認301/302/303/402大修啟機階段均出現(xiàn)過CET004AA報警，根據(jù)運行部門存檔的操作票，301大修啟機后(技改前)通過調(diào)大3CEX400VL將軸封冷卻器液位高報警消除，302/303/402大修啟機后(技改后)的軸封冷卻器液位高報警都是運行部門通過調(diào)大凝結(jié)水泵第二道機械密封水壓力消除。

圖5 技改前軸封冷卻器進水方式

3.2.2 凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量測量

根據(jù)技術(shù)改造和軸封冷卻器歷史報警情況，結(jié)合軸封冷卻器液位高報警故障因數(shù)原因分析，軸封冷卻器液位高報警的故障原因均鎖定在凝結(jié)水泵機械密封內(nèi)漏。為此用超聲波流量計對3/4號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封水的實際流量進行測量。

1)2017年7月28日，對3/4號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封水的供水及回水進行流量測量，發(fā)現(xiàn)3號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封供水與回水有約6 m3/h的流量損失，而4號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封供水、回水流量相等(約5 m3/h)。具體如圖7所示。

2)2017年8月2日，對3/4號機組每臺凝結(jié)水泵第二道機械密封進出口管道流量分別進行測量，測量結(jié)果見圖8與圖9。發(fā)現(xiàn)3CEX003PO第二道機械密封回水存在倒吸現(xiàn)象，3CEX003PO的第二道機械密封進出口水都向機械密封內(nèi)流入，兩者相加約5 m3/h，與2017年7月28日的總流量測量結(jié)果對應(yīng)。

圖8 3號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量

圖9 4號機組凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量

3.2.3 3CEX003PO機械密封內(nèi)漏驗證試驗

通過超聲波流量計對3/4號機組6臺凝結(jié)水泵第二道機械密封水的實際流量測量表明3CEX003PO機械密封存在內(nèi)漏。為進一步證明3CEX003PO機械密封存在內(nèi)漏，2017年8月4日按照重要缺陷處理方案，隔離3CEX003PO第二道機械密封冷卻水，具體步驟及執(zhí)行結(jié)果如下：

1)試驗前，檢查凝結(jié)水泵第二道密封注入水壓力(3CEX611LP)為4.5 bar，測量凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量結(jié)果見圖10紅色標(biāo)記，3CEX003PO第二道密封回水管路仍是倒吸，3CET001CS最高液位為180 mm(報警定值100 mm)，3CET004AA報警頻率約5～6次每小時。

2)試驗中，將3CEX003PO解除備用，緩慢關(guān)閉3CEX003PO第二道密封回水管路隔離閥(3CEX030VD)，3CEX611LP上漲至5 bar，3CET001CS最高液位從180 mm立即下降至70 mm左右波動，接著繼續(xù)關(guān)閉3CEX003PO第二道密封注入水管路隔離閥(3CEX029VD)，3CEX611LP繼續(xù)上漲一度達8 bar，操作人員迅速關(guān)小凝結(jié)水泵第二道密封注入水調(diào)節(jié)閥，3CEX611LP壓力穩(wěn)定在目標(biāo)值5.5 bar，3CET001CS液位繼續(xù)下降并穩(wěn)定在60 mm。復(fù)測凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量結(jié)果見圖10藍色標(biāo)記，觀察近40 min時間內(nèi)3CET004AA未再出現(xiàn)報警，見圖11。

3)試驗后，緩慢開啟3CEX029VD與3CEX030VD，3CEX611LP壓力立即下降，全開凝結(jié)水泵第二道密封注入水調(diào)節(jié)閥后，3CEX611LP恢復(fù)至試驗前的4.5 bar，3CET001CS最高液位從60 mm上漲至180 mm，3CET004AA報警再次頻繁出現(xiàn)，3CEX003PO恢復(fù)備用。

圖10 試驗時凝結(jié)水泵機械密封水流量

圖11 試驗時3CET004AA報警情況

試驗結(jié)論：在關(guān)閉3CEX029VD與3CEX030VD后，3CEX611LP快速上漲(一度超過8 bar)，最終需要關(guān)小凝結(jié)水泵第二道密封注入水調(diào)節(jié)閥來穩(wěn)定凝結(jié)水泵第二道機械密封供水壓力，說明凝結(jié)水泵第二道機械密封水供給側(cè)的水壓以及凝結(jié)水泵第二道密封注入水管路相關(guān)閥門均滿足要求，造成3CEX611LP壓力無法調(diào)節(jié)以及3CET004AA報警的根本原因為3CEX003PO機械密封水存在內(nèi)漏搶水。

3.3 軸封冷卻器液位高報警原理解釋

3.3.1 虹吸原理介紹

虹吸現(xiàn)象是液體從液面較高的容器通過曲管(虹吸管)越過高處而流入液面較低容器的現(xiàn)象。虹吸的實質(zhì)是液態(tài)分子間引力與位能差而產(chǎn)生。如圖12所示。

圖12 虹吸原理示意圖

在虹吸原理示意圖中，以截面1所在的高度為參考面，對截面2與截面3，根據(jù)伯努利方程有：

因虹吸管內(nèi)流體不可壓縮截面積相等，所以v2=v3，

由此可得:

根據(jù)上面的公式得出虹吸的關(guān)鍵是從截面1到截面2的壓力差使水流越過最高點。以大氣壓為例，虹吸管的最高點距離上容器的水面距離必須小于大氣壓支持的最高水柱即hmax，理論值為10 m。通過上面分析得出產(chǎn)生虹吸的三個基本條件：

1)虹吸管出水高度必須低于高位容器水面的高度，即虹吸的本質(zhì)是重力作用下的水往低處流,這是內(nèi)因;

3)虹吸管內(nèi)充滿水是觸發(fā)條件,這是機遇。

3.3.2 軸封冷卻器周期性疏水原理

軸封冷卻器液位周期性上漲和下降的機理為軸封冷卻器由深埋地下的U型水封筒體通過虹吸效應(yīng)向凝汽器疏水。軸封冷卻器微負壓(絕對壓力約90 kPa)，凝汽器高度真空(絕對壓力約5 kPa)，中間通過U型水封筒體相連，三者之間的布局見圖13。軸封冷卻器疏水持續(xù)流向U型水封筒體，逐漸淹沒U型水封筒體的排放管口，淹沒管口后在壓差的作用下形成虹吸效應(yīng)排水，排水后虹吸破壞，軸封冷卻器液位下降，等疏水集聚建立下一次的虹吸，因此，軸封筒體的排水就是一次次的虹吸建立與破壞的過程。

306大修前的3號機組和現(xiàn)在4號機組軸封冷卻器液位較低，就是因為有凝結(jié)水泵第二道機械密封冷卻水的持續(xù)供水。提高凝結(jié)水泵第二道機械密封冷卻水的壓力有利于加強疏水降低液位，分析認為是凝結(jié)水泵第二道機械密封冷卻水的壓力和流量在起共同作用，開大調(diào)壓閥增大壓力，相當(dāng)于增大U型連通管的入口壓力；開大調(diào)壓閥增大壓力，同時也增大了流量，相當(dāng)于增加了U型水封筒體的注水量，U型水封筒體的入口壓力和注水量增大即加快了淹沒U型水封筒體的排水管口的速度，也就加快了虹吸建立和破壞的轉(zhuǎn)化頻率，自然就加快了向凝汽器排水的速度。

因此，軸封冷卻器液位周期性上漲和下降是U型水封筒體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的正?，F(xiàn)象，通過持續(xù)注水可以加快U型水封筒體虹吸建立和破壞的轉(zhuǎn)化頻率，從而使軸封冷卻器液位整體降低。

圖13 U型水封筒體排水原理圖

4 故障處理

4.1 3CEX003PO機械密封更換

通過資料查找、試驗分析，最終確認軸封冷卻器液位高報警的根本原因為3CEX003PO機械密封存在內(nèi)漏搶水所致。

2017年11月4日，3號機組調(diào)門試驗窗口對3CEX003PO機械密封進行更換。更換氣密性試驗合格的新機械密封后，啟動3CEX003PO，泵各項運行參數(shù)正常。超聲波流量計測量機械密封冷卻水流量，確認入口流量和出口流量基本相等，見圖14，機械密封注入水內(nèi)漏缺陷消除，3CET004AA報警消失。軸封冷卻器液位高報警故障徹底解決。

圖14 3CEX003PO機械密封更換后凝結(jié)水泵第二道機械密封水流量

4.2 3CEX003PO機械密封解體情況

凝結(jié)水泵機械密封為某進口廠家生產(chǎn)的雙端面機械密封，由兩道密封串聯(lián)組成。第一道機械密封的密封水由凝結(jié)水系統(tǒng)的出口管路接入，返回到泵腔室，見圖15藍色部分。第二道機械密封的密封水由常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)或凝結(jié)水系統(tǒng)接入，注入U型水封筒體后排入凝汽器，見圖15紅色部分。

圖15 凝結(jié)水泵機械密封結(jié)構(gòu)圖

2017年11月4日，對舊的機械密封進行拆除過程中發(fā)現(xiàn)，第一道機械密封靜環(huán)O形圈的卡簧(圖15的部件8)已經(jīng)脫落，見圖16。第一道機械密封靜環(huán)O形圈(圖15的部件1.3)已經(jīng)斷裂，見圖17。

圖16 第一道密封靜環(huán)O形圈卡簧脫落

圖17 第一道密封靜環(huán)O形圈斷裂

2017年11月6日，對更換下來的機械密封解體檢查，發(fā)現(xiàn)第一道機械密封動環(huán)座彈簧(圖15的部件1.1.6)部分斷裂脫落，見圖18。

圖18 第一道密封動環(huán)座彈簧斷裂脫落

3CEX003PO機械密封第一道密封靜環(huán)O形圈的卡簧(部件8)脫落，則O形圈沒有壓縮量，不起密封作用，則第二道密封水進入到第一道密封區(qū)域，泄漏路線見圖15中泄漏路線1所示。

3CEX003PO機械密封第一道密封動環(huán)座彈簧(部件1.1.6)部分斷裂脫落，則第一道密封沒有被正常壓縮，機械密封面已經(jīng)打開，不起密封作用，則第二道密封水進入到第一道密封區(qū)域，泄漏路線見圖15中泄漏路線2所示。

4.3 3CEX003PO機械密封缺陷原因分析

4.3.1 機械密封O型圈失效原因分析

第一道機械密封靜環(huán)的O形圈(部件1.3)斷裂，是卡簧脫落后，O形圈在水流沖擊下和機械密封的金屬結(jié)構(gòu)件碰撞摩擦造成，為后期發(fā)生。

4.3.2 機械密封卡簧脫落和彈簧斷裂原因分析

2015年11月至2017年11月，3CEX003PO共進行8次切換，見圖19，期間未更換機械密封。同時該凝結(jié)水泵在運行期間振動、軸承溫度和流量等各項參數(shù)正常。

圖19 3CEX003PO切換與運行情況

1)機械密封拆除過程中，重新將卡簧(部件8)回裝到卡簧槽內(nèi)并檢查了尺寸，發(fā)現(xiàn)卡簧尺寸滿足要求，可以起到保持作用。結(jié)合泵運行參數(shù)分析認為卡簧脫落的根本原因是初始卡簧沒有完全安裝到位和在切換期間受到較大的振動共同引起。

2)第一道機械密封動環(huán)座彈簧(部件1.1.6)斷裂的主要原因為振動引起彈簧過度壓縮或舒張，導(dǎo)致彈簧疲勞斷裂。結(jié)合泵運行參數(shù)分析認為彈簧斷裂脫落的根本原因是初始彈簧沒有完全安裝到位和在切換期間受到較大的振動共同引起。

綜上所述，秦山第二核電廠3/4號機組6臺凝結(jié)水泵均使用該進口廠家生產(chǎn)的雙端面機械密封，運行6年以來從未出現(xiàn)過卡簧脫落和彈簧斷裂的缺陷，同時現(xiàn)場的凝結(jié)水泵均進行定期切換，切換過程中受到的振動情況基本相同。因此3CEX003PO機械密封缺陷的最大可能為該機械密封單獨組裝裝配質(zhì)量較差引起。

4.4 機械密封檢修提升改進

根據(jù)機械密封結(jié)構(gòu)形式設(shè)計工裝與機械密封形成密封腔室進行密封性試驗，在維修規(guī)程中明確每次新機械密封安裝前，按照API 682標(biāo)準(zhǔn)進行氣壓密封性試驗或按照GB/T 33509標(biāo)準(zhǔn)進行水壓密封性試驗，密封性試驗合格后方能將機械密封安裝至設(shè)備上，確保安裝至設(shè)備上新機械密封的可靠性。

圖20 氣壓密封性試驗

圖21 水壓密封性試驗

5 結(jié)論

2017年6月至2017年11月，通過近半年的分析查找，最終鎖定造成軸封冷卻器液位高報警的根本原因為3CEX003PO機械密封內(nèi)漏搶水所致，解決了秦山第二核電廠十大技術(shù)缺陷(軸封冷卻器液位高報警)，保證了機組的安全穩(wěn)定運行。

通過本次故障的分析處理，實踐了超聲波流量計在小管線上進行流量測量作為系統(tǒng)故障輔助分析的應(yīng)用，說明了超聲波流量計在小管線上測量有些許偏差，但用于問題定性分析具有十分積極的意義。同時剖析引起本次故障處理根本原因，明確了新機械密封安裝前，利用專用試驗工裝按照API 682標(biāo)準(zhǔn)或GB/T 33509標(biāo)準(zhǔn)進行密封性試驗，確保安裝至設(shè)備上新機械密封的可靠性。