MSR 疏水泵機(jī)械密封技術(shù)改造

周 懿，丁小浪，郭龍章，馬愛(ài)芹

（1.中核秦山核電，浙江嘉興 314300；2.四川日機(jī)密封件股份有限公司，四川成都 610041）

1 MSR 疏水泵簡(jiǎn)介

1.1 汽水分離再熱（MSR）系統(tǒng)

汽水分離再熱系統(tǒng)（MSR 系統(tǒng)）是核電廠汽輪機(jī)不可缺少的重要組成部分，作用是去除和回收汽輪機(jī)高壓缸排氣中的水份，除濕分離效果達(dá)到98%以上。通過(guò)MSR 兩級(jí)再加熱器加熱，將低壓缸進(jìn)汽加熱成過(guò)熱蒸汽，通過(guò)提高低壓缸進(jìn)汽的過(guò)熱度，將低壓缸排汽的濕度控制在10%，降低了濕蒸汽對(duì)低壓缸葉片尤其是末3 級(jí)葉片的沖蝕[1]。

單臺(tái)汽輪機(jī)組包含2 臺(tái)汽水分離再加熱器（MSR），分別位于汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)兩側(cè)，每臺(tái)汽水分離再熱器配備1 臺(tái)分離器疏水回收箱，1 臺(tái)低壓再熱器疏水回收箱和1 臺(tái)高壓再熱器疏水回收箱[1]。

1.2 MSR 疏水泵

疏水泵用于將MSR 分離器疏水回收箱中的凝結(jié)水排放到低壓給水加熱系統(tǒng)，如除氧器。疏水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組都是至關(guān)重要的，它能使分離器疏水箱水位穩(wěn)定在正常液位，避免分離器疏水箱中的疏水倒流至汽輪機(jī)，防止汽輪機(jī)組因此跳閘停機(jī)[1]。

MSR 疏水泵是單級(jí)臥式離心泵，采用機(jī)械密封密封泵腔內(nèi)介質(zhì)。

1.3 MSR 疏水泵運(yùn)行參數(shù)

介質(zhì)：凝結(jié)水，偏堿性；溫度：140～167 ℃；轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；入口壓力：0.7 MPa；出口壓力：0.95 MPa；輔助系統(tǒng)方案：PLAN 11。

2 MSR 疏水泵機(jī)械密封缺陷分析

2.1 缺陷介紹

MSR 疏水泵曾經(jīng)3 次變更過(guò)機(jī)封廠家。投運(yùn)初期是泵廠原裝進(jìn)口機(jī)封，因漏水頻發(fā)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，首次變更的機(jī)封泄漏狀態(tài)有所改善，但容易出現(xiàn)停運(yùn)時(shí)滴漏、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不漏（由于啟停溫差和機(jī)封受力影響）現(xiàn)象，一直未能完全解決。后該泵因原廠整體改型升級(jí)，機(jī)械密封腔室形狀改變，配套機(jī)封變?yōu)榱硗庖粋€(gè)廠家的機(jī)封。

新泵使用的機(jī)封可靠性也不高，機(jī)封頻繁出現(xiàn)漏水缺陷，也多次出現(xiàn)停運(yùn)時(shí)滴漏、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不漏的狀態(tài)。針對(duì)上述缺陷，不得不頻繁的更換機(jī)封，最短更換頻率僅僅一個(gè)月，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性，大大增加了維修人員的工作量。

2.2 缺陷分析

2.2.1 密封面狀態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)解體檢查密封面狀態(tài)（如圖1），碳環(huán)密封面磨出溝槽和同心紋理。

2.2.2 原因因子（如圖2）

2.2.3 密封面受損機(jī)理[2]

圖1 失效密封面狀態(tài)

圖2 原因因子

介質(zhì)溫度高達(dá)167 ℃，壓力約在620 kPa，液膜外側(cè)壓力為大氣壓，液膜邊界蒸發(fā)后會(huì)低于飽和蒸汽壓力，因而密封端面液膜邊界持續(xù)發(fā)生閃蒸，液膜不穩(wěn)定，使密封面受損。

泵頻繁起停會(huì)加速2 密封端面失去潤(rùn)滑膜而造成磨損失效。

泵停運(yùn)散熱時(shí)間短，熱水蒸發(fā)，密封腔室冷卻水不足，導(dǎo)致泵啟動(dòng)時(shí)干運(yùn)轉(zhuǎn)，密封面產(chǎn)生干磨的同心紋理。而停泵時(shí)間越長(zhǎng)密封室被空氣冷卻越充分，密封腔室內(nèi)會(huì)有足夠的冷卻水，冷卻水溫度越低機(jī)封使用壽命越長(zhǎng)。

3 機(jī)械密封設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)（圖3）

3.2 機(jī)封零部件材質(zhì)選取

根據(jù)機(jī)封現(xiàn)場(chǎng)工況，選取機(jī)封零件材質(zhì)：密封動(dòng)環(huán)—進(jìn)口耐高溫石墨；密封靜環(huán)—無(wú)壓燒結(jié)碳化硅；壓蓋—316；軸套—316；彈簧—Hast.C；O 形圈—進(jìn)口耐高溫全氟橡膠。

3.3 機(jī)械密封設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)參數(shù)為：窄環(huán)端面外徑—D1；窄環(huán)端面外徑—D2；平衡直徑—Do；載荷系數(shù)—K；膜壓系數(shù)——λ；彈簧比壓—Ps；端面比壓—Pc。

介質(zhì)溫度和壓力參數(shù)屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)法改變；疏水量大是汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，改變成本高昂；機(jī)械密封廠家技術(shù)人員推薦加密封冷卻水或者空冷設(shè)施，降低水溫來(lái)保證密封壽命。經(jīng)評(píng)估后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件不具備，施工成本較高。鑒于現(xiàn)場(chǎng)的工況條件受限，該機(jī)械密封只有API PLAN 11 方案，此種工況非?？量蹋O(shè)計(jì)要求相當(dāng)高。

圖3 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

3.4 參數(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.4.1 計(jì)算模型建立

針對(duì)該泵機(jī)封在停運(yùn)時(shí)滴漏，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)正常這一缺陷，進(jìn)行有針對(duì)性的計(jì)算，建立2D 軸對(duì)稱模型（圖4），并進(jìn)行有限元分析的網(wǎng)格劃分（圖5），分析摩擦副在壓力作用下的變形情況，選取合理的參數(shù)。

圖4 幾何模型

圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 壓力邊界條件

在圖6 所示邊界處施加壓力邊界條件，P=1 MPa。對(duì)于端面的邊界條件，由于工作介質(zhì)為高溫水，液膜反壓系數(shù)常取0.4。此處近似處理為線性分布?jí)毫κ┘舆吔鐥l件，壓力邊界施加的控制方程如下式：

上式中：P 為端面壓力徑向分布，Po為介質(zhì)壓力，Pi為泄漏側(cè)大氣壓力，Ro為端面外半徑，Ri為端面內(nèi)半徑，r 為極坐標(biāo)半徑方向。

3.4.2 應(yīng)力變形分析

根據(jù)上述條件，得到密封面壓力形變?cè)茍D（如圖7）和總體應(yīng)力分布云圖（圖8）。

圖7 總體壓力形變

從總體形變?cè)茍D可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械密封摩擦副受介質(zhì)壓力作用下，機(jī)械密封摩擦副外圈接觸。整個(gè)密封端面泄漏通道沿徑向方向，從外徑朝內(nèi)徑側(cè)呈發(fā)散趨勢(shì)。

3.4.3 熱變形分析

密封摩擦副溫度分布（圖9）和摩擦副變形云圖（圖10）。

圖9 密封摩擦副溫度分布

圖10 密封摩擦副變形

從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械密封處于熱穩(wěn)態(tài)情況下，摩擦副外部與介質(zhì)處于同等溫度水平160 ℃，但摩擦副端面溫度為171 ℃。正是由于該溫度分布梯度存在，造成石墨和硬質(zhì)合金變形。溫度引起的摩擦副變形（圖10），當(dāng)密封摩擦副受溫度梯度影響時(shí)，整個(gè)密封環(huán)內(nèi)圈接觸。整個(gè)密封端面泄漏通道沿徑向方向從外徑朝內(nèi)徑側(cè)呈收斂趨勢(shì)。

通過(guò)計(jì)算壓力變形和溫度變形，可以獲得以下結(jié)論：當(dāng)機(jī)械密封摩擦副端面處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，端面發(fā)熱，密封摩擦副端面呈收斂變形，可以抵消一部分壓力引起的發(fā)散形端面變形，使端面呈近似平行狀態(tài)，保證機(jī)械密封處于正常的泄漏量；當(dāng)機(jī)械密封停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，密封摩擦副不再發(fā)熱且處于介質(zhì)包圍中，溫度梯度消失，熱變形引起的收斂角消失，但此時(shí)壓力仍然持續(xù)作用在摩擦副上，引起的發(fā)散角仍然存在，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏。

機(jī)械密封設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能保證摩擦副端面壓力變形和溫度變形的趨勢(shì)相反，量值相當(dāng)。通常情況下，保證壓力作用產(chǎn)生的變形角處于主導(dǎo)地位，但在某些高溫工況下，溫度引起的變形角不能被忽略。此時(shí)可以通過(guò)調(diào)整密封端面寬度或者調(diào)整端面初始內(nèi)錐度達(dá)到控制高溫泄漏的目的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)工裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用工況和接口尺寸，設(shè)計(jì)了機(jī)械密封模擬試驗(yàn)方案，進(jìn)行機(jī)械密封的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖11、圖12 所示。

4.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

4.2.1 靜壓試驗(yàn)

圖11 試驗(yàn)工裝

試驗(yàn)介質(zhì)：去離子水；試驗(yàn)溫度：常溫；試驗(yàn)壓力為1.5 MPa，持續(xù)15 min。

驗(yàn)收準(zhǔn)則：泄漏量＜5 ml/h。

4.2.2 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)（圖12）

試驗(yàn)介質(zhì)：去離子水；試驗(yàn)溫度：160 ℃；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；試驗(yàn)壓力 為1.0 MPa，試驗(yàn)時(shí)間5 h。

圖12 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

驗(yàn)收準(zhǔn)則：泄漏量＜5 ml/h。

4.2.3 氣密性試驗(yàn)

被試驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)按安裝要求裝于最大容積≤28 L 的試驗(yàn)裝置內(nèi)。將清潔的空氣加壓至1.7 bar 導(dǎo)入工作容積，關(guān)閉壓力源，試驗(yàn)保壓時(shí)間≥5 min。

驗(yàn)收準(zhǔn)則：最大壓降≤0.14 bar。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)械密封經(jīng)過(guò)靜壓試驗(yàn)和高溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)5 h，無(wú)論是在啟動(dòng)和停機(jī)，還是升降溫過(guò)程中，以及在高溫連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械密封均未見(jiàn)泄漏，密封端面狀態(tài)良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。試驗(yàn)后密封端面狀態(tài)如圖13 所示。

圖13 試驗(yàn)后密封解體端面狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，技改后的機(jī)封已在現(xiàn)場(chǎng)使用2 年以上，密封狀態(tài)正常，解決了現(xiàn)場(chǎng)滴漏問(wèn)題。疏水泵機(jī)械密封的成功國(guó)產(chǎn)化，不僅解決了密封泄漏的根本問(wèn)題，同時(shí)積累了高溫運(yùn)行工況條件下的機(jī)封使用經(jīng)驗(yàn)。