核電站主泵機(jī)械密封失效分析

卞 偉

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

重水堆核電站的一回路循環(huán)系統(tǒng)主泵為軸密封泵，采用三級流體動壓機(jī)械密封的方式進(jìn)行密封，每一級密封結(jié)構(gòu)基本相同，承擔(dān)壓差均為3.2 MPa 左右[1]。單級的機(jī)械密封副分動環(huán)與靜環(huán)兩部分，動環(huán)材質(zhì)為碳化鎢合金，靜環(huán)材質(zhì)為核級石墨，均為加拿大進(jìn)口產(chǎn)品。動環(huán)與靜環(huán)摩擦副凸臺內(nèi)圈和外圈均布有半圓形流體動壓槽[2]，安裝時(shí)的間隙大小主要通過動環(huán)座內(nèi)的密封彈簧壓縮量來調(diào)節(jié)。當(dāng)主泵正常運(yùn)行時(shí)，靜環(huán)保持不動，動環(huán)隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，通過熱流體動力楔效應(yīng)，兩摩擦副凸臺端面產(chǎn)生約為十幾μm 的液膜，實(shí)現(xiàn)對一回路循環(huán)水的密封[3-7]。流體動壓密封主泵的優(yōu)點(diǎn)主要包括泄漏量小、抗干擾能力強(qiáng)等，其缺點(diǎn)則主要為設(shè)計(jì)制造較為復(fù)雜、對轉(zhuǎn)速變化敏感等[8]。

核電廠主泵密封一旦發(fā)生失效，反應(yīng)堆必須應(yīng)急停堆進(jìn)行維修[9]，對電廠造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，由于核電廠拆卸下來的失效樣品大部分具有放射性，理化檢驗(yàn)過程中需要充分考慮輻射屏蔽的問題，大大增加檢驗(yàn)的難度，國內(nèi)鮮有核電廠主泵機(jī)械密封失效分析案例方面的有關(guān)報(bào)道。

本研究通過對核電廠主泵實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生失效的機(jī)械密封環(huán)進(jìn)行宏觀形貌、斷口宏微觀形貌、金相組織、化學(xué)成分、硬度及尺寸測量等檢測，結(jié)合密封環(huán)的操作和運(yùn)行歷史，查找密封環(huán)的失效原因，可有效地幫助核電運(yùn)維人員理解機(jī)械密封的失效原因和模式，對核電廠運(yùn)行安全、提高經(jīng)濟(jì)性具有較高的參考價(jià)值。

1 運(yùn)行歷史及失效情況

根據(jù)核電廠運(yùn)維記錄顯示[1]，主泵大修期間（設(shè)為T時(shí)間）安裝該機(jī)械密封，此時(shí)動環(huán)機(jī)械密封彈簧的壓縮量使用接近上限值。隨后主泵啟動時(shí)發(fā)現(xiàn)該泵密封水回流溫度異常升高，最高達(dá)到97 ℃。經(jīng)過在線調(diào)整動環(huán)機(jī)械密封的彈簧壓縮量后，主泵經(jīng)過短暫波動后進(jìn)入正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

此后經(jīng)過約2.5 a 穩(wěn)定運(yùn)行后（即T+2.5 a），該主泵密封回流水溫度突然出現(xiàn)大幅波動，之后第三級密封壓差迅速降低，同時(shí)第一、第二密封壓差相應(yīng)上升，確認(rèn)該泵第三級密封失效。停堆后，工作人員對該主泵的密封圈進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)第一、二級密封機(jī)械副以及各級O 型圈狀態(tài)均為正常，第三級密封靜環(huán)與動環(huán)表面嚴(yán)重?fù)p壞，但整體結(jié)構(gòu)還保持基本完整，現(xiàn)場情況如圖1 所示。

圖1 失效密封環(huán)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Failed mechanical seal

2 檢測與結(jié)果分析

2.1 宏觀形貌觀察

失效密封動環(huán)和靜環(huán)整體宏觀形貌如圖2 所示。失效動環(huán)表面光亮，共有3 處整體貫穿裂紋，摩擦副凸臺上呈現(xiàn)360°表面龜裂。失效靜環(huán)整體完整，沒有整體貫穿裂紋，摩擦副凸臺上呈現(xiàn)一道道“溝壑式”環(huán)向同心圓紋理。

圖2 失效動環(huán)和靜環(huán)的低倍整體形貌Fig.2 Overall appearance of failed moving ring and static ring

失效動環(huán)3 個(gè)貫穿斷口特征類似，隨機(jī)選擇1 個(gè)裂紋進(jìn)行放大觀察。沿環(huán)向看有明顯的磨削痕跡，原有的深度約300 μm 的半圓形流體動壓槽（虛線部分指示）已全部磨損至消失。沿徑向看存在大量發(fā)散且密集的細(xì)微裂紋，裂紋交錯(cuò)位置有部分小碎塊脫落的痕跡，同時(shí)位于外圈的熱裂紋比內(nèi)圈更加密集（圖3a）。

對失效靜環(huán)摩擦副凸臺表面進(jìn)行放大觀察。沿環(huán)向看有明顯磨料磨損的痕跡，形成一道道較深的環(huán)向刻痕和溝槽（圖3b）。沿徑向看凸臺表面原有的半圓形流體動壓槽高度被磨去大半，形狀已不完整，內(nèi)外已貫穿。

2.2 SEM 斷口分析

對失效動環(huán)斷口進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果見圖4，可見斷口平齊，斷面無夾雜，無明顯缺陷，WC 顆粒大小均勻，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂形貌。斷口上端腐蝕較為嚴(yán)重，因此裂紋應(yīng)是從摩擦副凸臺上表面起源。裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和基體組織一致，說明失效動環(huán)不存在明顯加工問題。

圖4 失效動環(huán)斷口SEM 圖像Fig.4 SEM morphology of failed moving ring

另外，對失效動環(huán)摩擦副凸臺上表面裂紋微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)徑向裂紋交叉的位置有三角形形狀的小碎塊處于即將脫落的狀態(tài)，其尺寸約為50 μm×25 μm（圖5）。通過與宏觀圖片對比，推測這類小碎塊即是失效動靜環(huán)之間發(fā)生“磨料磨損”中磨料的來源。

2.3 金相組織觀察

選取失效動環(huán)樣品非貫穿裂紋處進(jìn)行線切割，制備截面金相樣品。電解拋光參數(shù)為：電壓為21 V，電流為5.7～6.0 A，溫度為19～22 ℃，拋光時(shí)間120 s。選用10%K3Fe(CN)6+10%KOH（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）混合液蝕刻約4 min。金相組織如圖6 所示，可見失效動環(huán)的燒結(jié)晶粒十分細(xì)小，晶粒等效直徑約為2～6 μm，裂紋擴(kuò)展方式為沿晶開裂。

圖6 失效動環(huán)的金相組織形貌Fig.6 Metallographic photograph of failed moving ring

2.4 化學(xué)成分分析

失效動環(huán)的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示，其主要成分為W、C、Ni。該成分類似于國內(nèi)的WC 硬質(zhì)合金的標(biāo)準(zhǔn)成分，只是其中的Co 被Ni 替代。這是由于考慮到核電廠使用的特殊性，降低Co 元素的含量從而降低材料整體被活化的劑量。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of failed moving ring (mass fraction/%)

失效靜環(huán)成分通過EDS 分析，其主要成分為C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約97%），其余為O。該成分為石墨環(huán)的正常成分。

2.5 顯微硬度測量

對失效動環(huán)樣品的摩擦副凸臺上表面裂紋附近和基體位置分別進(jìn)行維氏顯微硬度測量。經(jīng)測驗(yàn)，裂紋附近的顯微硬度值和基體基本一致。

2.6 尺寸測量

采用外徑千分尺對失效動、靜環(huán)樣品分別沿厚度方向進(jìn)行尺寸測量，并與正常服役完成后的動、靜環(huán)厚度進(jìn)行對比。結(jié)果表明，失效動環(huán)比正常動環(huán)的厚度平均值減少0.02 mm，而失效靜環(huán)比正常靜環(huán)的平均厚度值減少0.35 mm。由此可知，當(dāng)密封副發(fā)生“磨料磨損”時(shí)，主要是靜環(huán)的快速磨損導(dǎo)致摩擦副間隙的增大。

3 分析與討論

以上檢測結(jié)果表明，失效動靜環(huán)的化學(xué)成分、加工性能、顯微硬度等均不存在明顯問題。

機(jī)械密封面的失效模式通常有：密封面開啟失效，密封副早期磨損，密封干運(yùn)轉(zhuǎn)，密封面熱裂，密封環(huán)皰痕，液膜失穩(wěn)、破裂、汽化等[10]。本案例的失效動環(huán)為典型密封面熱裂[11]；失效靜環(huán)為典型過熱癥狀[12]，同時(shí)存在干摩擦和磨料磨損。

失效動環(huán)密封面熱裂紋的形成：T時(shí)大修期間，由于人員操作不當(dāng)，動環(huán)密封彈簧壓縮過緊，致使動靜環(huán)之間發(fā)生干摩擦。摩擦產(chǎn)生的熱量迅速釋放，密封環(huán)表面溫度驟然上升，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。動環(huán)材質(zhì)為WC，抗熱裂性能差，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，動環(huán)表面發(fā)生脆性沿晶開裂，產(chǎn)生沿徑向發(fā)散的密集熱裂紋。靜環(huán)材質(zhì)為石墨，抗熱裂性能好且具有自潤滑，雖發(fā)生干摩擦但未產(chǎn)生裂紋。此時(shí)動靜環(huán)雖產(chǎn)生不同程度損傷，但整體性還保持完整，故而在調(diào)整密封彈簧壓縮量后，主泵密封還能繼續(xù)保持。

失效靜環(huán)磨料磨損的形成及主泵密封最終失效過程：主泵穩(wěn)定運(yùn)行的約2.5 a 內(nèi)，主軸帶動動環(huán)一直高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)存在著軸向和徑向的微振動，動環(huán)表面的密集熱裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展至相互交叉，位于交叉位置的WC 與基體逐步喪失連接，直至脫落。脫落碎塊在垂直分力作用下，刺入摩擦面，而在切向分力作用下作相對運(yùn)動，從而對摩擦表面進(jìn)行微切削和犁皺。軟密封環(huán)（石墨靜環(huán)）的摩擦副凸臺表面被快速地磨削直至間隙超過允許的閾值，此時(shí)主泵軸密封能力徹底喪失。

4 結(jié)論

1）失效動環(huán)裂紋屬于典型熱裂紋；失效靜環(huán)為典型過熱癥狀，同時(shí)存在干摩擦和磨料磨損。

2）因人員操作不當(dāng)，彈簧壓縮量調(diào)整過緊致使摩擦副表面發(fā)生干摩擦是導(dǎo)致動環(huán)產(chǎn)生熱裂紋的根本原因。

3）動環(huán)表面熱裂紋在交變載荷下擴(kuò)展交叉，交叉處碎塊脫落引起靜環(huán)磨料磨損，是導(dǎo)致摩擦副密封失效的直接原因。