核電用主給水泵密封圈失效原因分析及改進(jìn)

劉 星

（福建福清核電有限公司，福建福清 350300）

1 問(wèn)題背景

某核電廠主給水泵，采用前置泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液力偶合器、壓力級(jí)泵串聯(lián)安裝的形式。泵組出口壓力8 MPa，流量可在1488～3750 m3/h 調(diào)節(jié)，以適應(yīng)機(jī)組不同功率的需要。該核電3#機(jī)組在日常運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)3APA101PO 驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封冷卻夾套有滲水缺陷，速率約1 滴/s；3APA102PO 泵蓋位置也存在滲水缺陷。機(jī)組停運(yùn)后對(duì)3APA101/102PO 進(jìn)行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)3APA101PO 驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封冷卻夾套的密封圈有5 處鼓泡突起，3APA102PO 泵蓋處密封圈有兩處較大破損。

這一型號(hào)的主給水泵已經(jīng)在該核電廠廣泛使用，盡管此類缺陷是首次出現(xiàn)，但有必要對(duì)密封圈的失效機(jī)理進(jìn)行分析，以便采取相應(yīng)措施改進(jìn)，避免再次出現(xiàn)、影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

2 密封圈設(shè)計(jì)調(diào)查

3APA101PO 的失效密封圈在設(shè)備裝配圖中編號(hào)20，為泵蓋和機(jī)械密封冷卻夾套提供密封。該密封圈材質(zhì)為VITON 氟橡膠，安裝在密封夾套上的圓形方槽內(nèi)，在螺栓預(yù)緊力的作用下變形，形成靜密封，防止流體介質(zhì)從泵蓋與機(jī)械密封冷卻夾套的密封面泄漏。該密封圈的使用環(huán)境：溫度180 ℃，壓力約3.5 MPa。

3APA102PO 的失效密封圈在設(shè)計(jì)圖中編號(hào)34，密封圈材料為VITON 氟橡膠，為泵體和泵蓋提供靜密封，防止流體介質(zhì)從泵體和泵蓋處泄漏。該密封圈的使用環(huán)境：溫度180 ℃，壓力約8 MPa。

3 測(cè)試及分析

下面通過(guò)對(duì)兩個(gè)失效密封圈進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，掃描電鏡、傅里葉紅外光譜與邵氏硬度測(cè)試，以確定其材質(zhì)和失效機(jī)理。

3.1 宏觀檢查

為了方便對(duì)比分析，本次共采用了3 個(gè)密封圈，除了2 個(gè)有缺陷的密封圈以外，還是使用了1 個(gè)未使用過(guò)的密封圈備件。

3.1.1 宏觀調(diào)查

共收到3 個(gè)密封圈樣本：圖1c 為3APA102PO 破損密封圈，圈內(nèi)徑約50 cm；圖1b 為3APA101PO 鼓泡密封圈，密封圈內(nèi)徑約32 cm，圖1a 為完好密封圈內(nèi)徑約40 cm。后續(xù)測(cè)試主要針對(duì)3APA102PO 破損密封圈和3APA101PO 鼓泡密封圈進(jìn)行測(cè)試，完好密封圈為對(duì)比樣本。

圖1 密封圈外觀

經(jīng)宏觀調(diào)查，3APA101PO 鼓泡密封圈約有5 處較大鼓泡，內(nèi)圈整圈區(qū)域有磨損造成的粗糙形貌，密封圈環(huán)向呈橢圓形態(tài)；3APA102PO 破損密封圈約有2 處明顯破損，靠近破損區(qū)域還可觀察到細(xì)小的裂紋，密封圈環(huán)向有呈橢圓形態(tài)的趨勢(shì)；完好密封圈表面光滑，密封圈環(huán)向仍呈圓形。

3.1.2 表面檢查

（1）根據(jù)3APA101PO 中鼓泡密封圈的安裝，從3APA101PO的其中一個(gè)鼓泡密封圈表面形貌可知，該失效密封圈鼓泡發(fā)生在磨損區(qū)與光滑區(qū)交界，且鼓泡由交界面向磨損區(qū)擴(kuò)展，磨損區(qū)與光滑區(qū)交界面有裂紋（圖2）：磨損區(qū)顏色偏紅，表面粗糙；光滑區(qū)顏色為黑色，表面光滑，沒(méi)有劃傷、刺傷、疤痕等痕跡；產(chǎn)生鼓泡的裂縫與未“開口”的裂縫相連，即說(shuō)明該失效密封圈鼓泡是由裂縫直接引起。

（2）根據(jù)3APA102PO 的開裂密封圈形貌可觀察到，該密封圈裂縫沿密封圈橫向擴(kuò)展，并且環(huán)向上的大裂縫寬度在3 mm 左右。在裂縫兩側(cè)有多道劃傷痕跡，有的缺口位置較其他位置更尖銳，可能為裂紋啟裂位置（圖3）。密封圈的裂縫內(nèi)部有小碎塊的橡膠材料，部分裂縫位置密封圈存在變形痕跡，部分小裂縫也發(fā)生在未變形的密封圈區(qū)域。3APA102PO 的其他區(qū)域也存在大量裂縫。

圖2 3APA101PO 鼓泡密封圈位置

圖3 3APA102PO 失效密封圈

3.1.3 截面檢查

（1）3APA102PO 的破損密封圈，其2 個(gè)相互垂直方向的直徑分別為5707.18 μm 與5306.76 μm，即密封圈原始線經(jīng)約5700 μm。密封圈使用后，目前被壓縮面線徑約5300 μm，壓縮率為7.1%，在形狀上趨于橢圓形。

（2）3APA101PO 的鼓泡密封圈，其2 個(gè)相互垂直方向的直徑分別為5896.59 μm 與5262.58 μm，即密封圈原始線經(jīng)約5800 μm，密封圈使用后，目前被壓縮面線徑約5260 μm，壓縮率為9.3%，在形狀上橢圓并趨于方形。

（3）完好密封圈，其2 個(gè)相互垂直方向的直徑分別為5626.47 μm 和5618.94 μm，即密封圈原始線徑約5600 μm，該密封圈未發(fā)生明顯的不可逆（不可回復(fù)）變形，因此在形狀上仍呈圓形。

針對(duì)3APA102PO 的破損密封圈，選擇有橫向裂紋附近部位取樣解剖，觀察其截面形貌。圖4 為帶有橫向裂紋的截面，可以觀察到一個(gè)長(zhǎng)條形裂紋，裂紋未與橫向裂紋相交，同時(shí)也未達(dá)到密封圈邊緣，屬于密封圈內(nèi)部裂紋。

3.2 掃描電鏡

3APA301PO 的鼓泡密封圈表面形貌呈磨損狀態(tài)，在磨損過(guò)程中與外物接觸，因此對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。選擇磨損區(qū)小裂縫的兩側(cè)紅色方框區(qū)域進(jìn)行能譜分析。發(fā)現(xiàn)C、O、F 等元素為密封圈本身元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占45%；Fe 為外來(lái)元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占50%。

圖4 3APA102PO 失效O 形圈橫向裂紋截面

3.3 傅立葉紅外光譜分析

圖5 傅立葉紅外光譜測(cè)試

分別對(duì)3APA301PO 的鼓泡密封圈、3APA102PO 破損密封圈和完好密封圈取樣進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)試（圖5）。3 條譜線的特征吸收峰位置相似，其中完好密封圈譜線與破損密封圈譜線的特征峰為1685、1393、1118、889 和818，鼓泡密封圈譜線的特征峰為1685、1393、1118 和870。通過(guò)對(duì)比材料特征吸收峰的位置，初步判斷3 種橡膠結(jié)構(gòu)為26 型氟橡膠或其改性膠的一種，表明橡膠材料符合設(shè)計(jì)文件要求。

3.4 邵氏硬度測(cè)試

3 個(gè)密封圈的邵氏硬度測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 邵氏硬度測(cè)試

4 綜合分析

（1）3APA101PO 的失效密封圈有5 處鼓泡，內(nèi)圈整圈磨損；密封圈鼓泡發(fā)生在磨損區(qū)與光滑區(qū)交界，鼓泡由交界面向磨損區(qū)擴(kuò)展；磨損區(qū)與光滑區(qū)交界處有多條裂紋；磨損區(qū)顏色偏紅，表面粗糙；光滑區(qū)顏色為黑色，表面光滑，沒(méi)有劃傷、刺傷、疤痕等痕跡。

（2）經(jīng)能譜測(cè)試，磨損區(qū)Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占50%，說(shuō)明磨損面與夾套發(fā)生接觸磨損Fe 由夾套轉(zhuǎn)移至密封圈磨損面。

（3）3APA101PO 的鼓泡密封圈截面內(nèi)部無(wú)缺陷，密封圈原始線經(jīng)約5800 μm，被壓縮面的線徑約減小到5260 μm，壓縮率為9.3%。傅里葉紅外光譜測(cè)試顯示3APA101PO 的密封圈為26 型氟橡膠或其改性膠的一種。

（4）結(jié)合裝配圖，3APA101PO 的鼓泡密封圈安裝在泵蓋和機(jī)械密封冷卻夾套之間。在泵正常運(yùn)行時(shí)，密封圈在螺栓預(yù)緊力作用下被擠入密封溝槽內(nèi)，為泵蓋和機(jī)械密封冷卻夾套提供靜密封。密封圈除了受到泵蓋和機(jī)械密封冷卻夾套施加的力之外，還受到工作介質(zhì)施加的壓力。

（5）該密封圈內(nèi)圈磨損并出現(xiàn)裂紋和鼓泡的原因可能是：在泵運(yùn)行過(guò)程中密封圈的內(nèi)圈與機(jī)械密封冷卻夾套上的密封溝槽面發(fā)生磨擦，內(nèi)圈外表面變得粗糙，也降低了密封圈的均勻性；此時(shí)泵蓋和機(jī)械密封冷卻夾套對(duì)密封圈的擠壓使兩者交界面位置的密封圈的拉應(yīng)力最大（且磨損面更薄弱），在圖2 框區(qū)域（及光滑區(qū)和摩擦區(qū)交界位置）外表面出現(xiàn)小裂紋，隨后向磨損區(qū)開裂形成鼓泡。

5 結(jié)論

（1）3APA101PO 驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封冷卻夾套鼓泡密封圈鼓泡。該密封圈內(nèi)圈與機(jī)械密封冷卻夾套上的密封溝槽面發(fā)生摩擦，降低了密封圈的均勻性，而在交界面位置的密封圈的拉應(yīng)力最大，外表面出現(xiàn)小裂紋，隨后向磨損區(qū)開裂行程鼓泡。

（2）3APA102PO 泵殼處密封圈破損。該密封圈本身存在內(nèi)部裂紋，使其性能低于原設(shè)計(jì)，在泵蓋和泵殼的擠壓作用下，劃傷薄弱區(qū)域首先出現(xiàn)裂紋，隨后迅速擴(kuò)展。

6 改進(jìn)措施

根據(jù)上述原因，采取應(yīng)對(duì)措施如下：

（1）優(yōu)化維修規(guī)程，安裝密封圈前應(yīng)充分檢查其外觀和質(zhì)保期。

（2）優(yōu)化維修規(guī)程，安裝密封圈涂抹適量的硅脂，以減少密封圈與溝槽的摩擦力。

（3）核實(shí)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的密封圈生產(chǎn)批次，通知倉(cāng)儲(chǔ)全部報(bào)廢處理。

（4）向供貨商發(fā)函，對(duì)該批次的密封圈進(jìn)行索賠。