基于相態(tài)圖像在線檢測的RCP軸封內(nèi)流場試驗研究

陳侃，郭逸，劉偉，張君凱，任何冰

(1. 中密控股股份有限公司，四川 成都 610045；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

核電站反應堆冷卻劑主泵(reactor coolant pump，RCP)軸封主要分為流體靜壓型軸封和流體動壓型軸封兩大類[1-2].承擔主要負載的摩擦副均屬于液體潤滑非接觸式機械密封[3].兩類軸封均由3級密封串聯(lián)布置組成.其中靜壓軸封的一級密封通過在端面設置微錐度，在流體壓力作用下維持數(shù)十μm間隙以承擔主要載荷并控制介質(zhì)泄漏[4-5]；二級和三級密封為普通接觸式機械密封.動壓軸封的3級結構相同，每級在靜環(huán)端面上加工了連續(xù)微波形槽.在運轉時，由流體剪切產(chǎn)生的流體動壓效應維持數(shù)μm間隙并控制泄漏.靜壓軸封的一、二、三級密封分別承擔15.50，0.21，0.10 MPa壓差.動壓軸封通過密封殼體級間節(jié)流盤管分壓，使得15.9 MPa的總壓均分至每一級密封，每一級均承擔5.3 MPa壓差載荷.

國內(nèi)某1 080 MW核電機組RCP軸封采用的是流體動壓軸封.在運轉周期末觀察到三級低壓泄漏增加，三級密封腔壓力從5.3 MPa降至4.5 MPa.103大修對3個位號主泵軸封解體后均觀察到三級密封靜環(huán)導套及三級軸套外表面有發(fā)黃發(fā)藍現(xiàn)象，靜環(huán)組件O形圈均有蛇形彎曲的痕跡.因此初步分析該機械密封的性能劣化是由于浮動O形圈摩擦力增加導致[6-7].鑒于一、二級密封軸套無發(fā)黃發(fā)藍現(xiàn)象，初步判斷導致浮動三級浮動O形圈摩擦力增加的原因：由于三級泄漏側壓力為大氣壓，流體剪切作用導致空穴產(chǎn)生，形成富氧區(qū)域，而泵腔中高溫工作介質(zhì)的熱量通過軸傳導至軸封段，在第三級處，軸套金屬內(nèi)部溫度超過100 ℃，導致該區(qū)域形成了兩相流、富氧、高溫、流體剪切的復雜嚴苛工作環(huán)境.O形圈及其配合面長期處于微動磨損狀態(tài)，裝配時涂抹在O形圈上的硅脂混合PTFE擋圈磨損掉落后的石墨和聚四氟乙烯顆粒混合黏著于O形圈摩擦界面.加之惡劣工作環(huán)境造成O形圈摩擦界面局部缺乏良好的液體潤滑，最終導致浮動O形圈摩擦力變大，三級導環(huán)及軸套表面被氧化[8-9].

有研究者[10]提出對RCP動力電纜信號進行監(jiān)測，以反映主泵工作狀態(tài).但該方法不能反映RCP軸封細部的工作情況.為了復現(xiàn)及研究RCP軸封工作異?，F(xiàn)象發(fā)生的原因，文中開展主泵溫度場分析和基于內(nèi)窺鏡圖像處理的泄流流態(tài)識別研究工作，提出以Sobel邊沿算法特征值作評價參數(shù)以獲得密封背壓與泄漏流狀態(tài)間關系，并開展試驗研究.

1 RCP軸封結構及現(xiàn)場問題

流體動壓型主泵軸封的結構如圖1所示，每一單級密封結構如圖2所示.動環(huán)為石墨環(huán)，由內(nèi)外金屬環(huán)鑲裝而成.靜環(huán)為硬質(zhì)合金環(huán)外側鑲裝金屬環(huán)并在硬質(zhì)合金環(huán)端面加工了連續(xù)正弦波形槽.副密封用于密封靜環(huán)座、動環(huán)座與軸套之間間隙.其中靜環(huán)組件的副密封屬動態(tài)密封，工作時處于浮動狀態(tài)[11]，有一定的軸向和徑向位移追隨功能.

圖1 RCP流體動壓軸封示意圖

圖2 動壓軸封單級結構圖

1.1 軸套發(fā)黃發(fā)藍現(xiàn)象回顧

核電站現(xiàn)場第103次大修后，對3個位號主泵軸封解體，觀察到的部件狀態(tài)見圖3a；相同軸封工程樣機全廠停水停電(station black out, SBO)工況試驗后部件狀態(tài)見圖3b.可以發(fā)現(xiàn)，SBO工況純高溫水靜止工況下不銹鋼金屬表面呈現(xiàn)出古銅色較亮的氧化層，而某核電站軸封部件工作周期后呈現(xiàn)為麥芽黃亞光氧化層，這說明氧化層形成機理不同.

圖3 高溫發(fā)黃發(fā)藍與現(xiàn)場發(fā)黃發(fā)藍對比Fig.3 Comparison of yellowing and bluing between high temperature and field work conditions

相同軸封工程樣機SBO工況試驗后解體狀態(tài)參數(shù)、兩種工況對比見表1，表中物理量為注入水壓力pw、注入水溫度θw、轉速n、運轉時間t.

表1 SBO工況與現(xiàn)場工況對比

將軸封三級軸套按1∶1比例與零部件工程圖繪制在一起，如圖4所示，其中紅色部分為低壓泄漏流體區(qū)域截面.

圖4 軸套發(fā)黃位置在圖紙中位置

并可觀察到，在三級低壓泄漏側，間隙越小的區(qū)段，發(fā)黃越明顯.在相對靜止的小間隙區(qū)域沒有觀察到明顯的發(fā)黃現(xiàn)象.引發(fā)該現(xiàn)象的原因應從多個角度考慮，例如流體剪切作用、泄漏介質(zhì)相態(tài)改變、軸套金屬溫度過高、介質(zhì)富氧等，而首先應對主泵軸系溫度分布進行分析.

1.2 溫度場分析

表2為某核電站RCP現(xiàn)場測點數(shù)據(jù).以表中所示2號主泵測點信息為邊界條件，采用FEM建模分析軸系下段溫度場分布.關注主泵軸系從熱屏上端至聯(lián)軸器下端.

表2 某核電站RCP現(xiàn)場測點數(shù)據(jù)

在已知軸封高壓泄漏水流量、軸封注入水和高壓泄漏水溫差，并以黏滯剪切模型近似計算軸封摩擦副發(fā)熱功率后，整個軸封系統(tǒng)在工作期間的發(fā)熱功率加上軸系傳熱至密封段的熱輸入功率可根據(jù)文獻[11]之方法計算，總計12.9 kW[12].這使得QH=770 L/h的高壓軸封注入水產(chǎn)生了ΔT=14.4 ℃的溫升.邊界條件設置如圖5所示，圖中A，E兩處溫度分別為80 ℃，300 ℃；B,C,D,F,G處為熱流功率邊界條件，符號“+”表示熱流流入，“-”表示熱流流出.軸系下段溫度分布如圖6所示.

圖5 軸系溫度分布計算邊界條件Fig.5 Boundary conditions for temperature distribution of shaft system

圖6表明，整個軸封系統(tǒng)在第三級密封處溫度大約為123 ℃，軸金屬壁面的最高溫度約為129 ℃.該處低壓泄漏介質(zhì)為常壓，存在氣化可能.三級密封泄漏處的介質(zhì)狀態(tài)可能處于氣液兩相流狀態(tài).此外，受流體剪切作用，也會加強空穴和蒸汽的產(chǎn)生.為了證明該結論，需開展基于圖像相態(tài)監(jiān)測技術的試驗.

圖6 軸系下段溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution of pump shaft downstream section

2 三級低壓泄漏流相態(tài)監(jiān)測試驗

2.1 試驗裝置

搭建1∶1比例的RCP動壓軸封工程樣機試驗臺，結構如圖7—8所示.

圖7 工程樣機試驗裝置及窺鏡

圖8 三級密封及窺鏡安裝

在三級密封導環(huán)和靜環(huán)座增加小孔用于埋設1個內(nèi)窺鏡，窺鏡頭穿過工裝腔體、三級靜環(huán)導套、三級靜環(huán)座，到達三級密封端面內(nèi)徑側.在端蓋設置2個內(nèi)窺鏡，位于不同半徑處，用于輔助觀察泄漏流體飛濺情況.所使用的器材：Bosch工業(yè)內(nèi)窺鏡×1，直徑2.5 mm；ADM-5工業(yè)內(nèi)窺鏡×2，直徑5.3 mm.采用Sino Seal提供的自主研發(fā)的動壓軸封第3級.

2.2 試驗方法

采用軟管連接密封低壓泄漏口至高位，并自由排放到收集箱.軟管出口最高點位置可調(diào)并記錄每次調(diào)整相對地面的絕對高度H(即低壓泄漏水位高度；低壓泄漏口相對地面的初始高度為1.30 m).對比不同低壓泄漏出口高度相應的窺鏡觀測記錄情況.試驗工況及參數(shù)見表3.

表3 試驗條件及要求

2.3 基于Sobel算子邊沿檢測的相態(tài)監(jiān)測技術

為了衡量高度H與流態(tài)紊亂的程度，提出采用基于Sobel算子的邊沿檢測(edge detect)技術，以量化動壓軸封低壓泄漏高度與內(nèi)部流態(tài)紊亂程度之間的關系[13].

對于一個圖像清晰度的量化，最常用的方法主要有空域函數(shù)、頻域函數(shù)、信息學函數(shù)和統(tǒng)計學函數(shù)4個大類[14].其中最常用、計算速度較快并適合于在線圖像狀態(tài)判斷的算法主要屬于空域函數(shù)類[15].空域函數(shù)中，Sobel算子屬于非線性高通空間濾波，可以偵測邊沿，也可以移除獨立噪點[16].

Sobel算子[17]定義為

(1)

(2)

試驗中所獲取的窺鏡圖像為320 px×240 px(像素)，假設該圖像像素值為函數(shù)f(x,y),每個像素點沿x方向一階導數(shù)為Gx(x,y)，沿y方向一階導數(shù)為Gy(x,y).則

Gx(x,y)=Tx?f(x,y)，

(3)

Gy(x,y)=Ty?f(x,y).

(4)

于是可以獲得圖像上每個像素水平和垂直方向上的灰度值為

(5)

程序用C#語言調(diào)用OpenCV函數(shù)實現(xiàn).OpenCV是開源許可的機器視覺和圖像處理函數(shù)庫.通過2個不同比較閾值處理的Sobel邊沿檢測結果矩陣，求取邊沿檢測算法特征值δs1s2作為最終的泄漏流態(tài)圖像清晰度判別值.

2.4 試驗結果

通過所開發(fā)的Prometheus關鍵動設備健康狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄窺鏡視頻并定時截圖，獲得如圖9左側所示結果(右側均為Sobel邊沿檢測圖像；H為密封背壓，水柱高度)，圖中Δh為低壓泄漏最高水位與低壓泄漏初始高度差值，δs1s2為邊沿檢測算法特征值.

圖9 背壓與內(nèi)部流態(tài)圖像Fig.9 Back pressure and endoscope image of internal flow pattern

以H=1.30 m為基準對比δs1s2發(fā)現(xiàn)：H=0.77 m，清晰度低63.2%；H=1.55 m，清晰度高27.0%；H=1.80 m，清晰度高92.3%.

通過觀察圖9中圖像已經(jīng)可以較為明顯地判斷動壓軸封三級低壓泄漏側狹小環(huán)形流道中流體的形態(tài).可以發(fā)現(xiàn)高度H越大，圖像清晰度越高.這是由于背部壓力提高，使得泄漏側流場不易因為軸套的旋轉剪切而產(chǎn)生空穴.

根據(jù)圖9可以繪制低壓泄漏高度與清晰度的關系曲線，如圖10所示.

圖10 三級軸封低壓泄漏高度最大優(yōu)化值Fig.10 Maximum optimization value of low-pressure leakage height of three stage shaft seal

通過窺鏡Sobel邊沿圖像觀察到抬高三級低壓泄漏水位可以一定程度消除低壓泄漏側環(huán)形間隙內(nèi)部流體空穴，1.80 m高度時效果最好，1.55 m高度具有良好效果.由于受到動壓軸封停車密封介質(zhì)疏排功能限制，U形管的最高水位不能超過停車密封限位開關桿的橢圓孔高度.因此，U形管最高設計水位為1.55 m，即比原低壓泄漏水位高25 cm，如圖10所示.此時相態(tài)圖片清晰度提高27.0%；泄漏介質(zhì)不會從停車密封的孔洞和頂端的環(huán)形間隙逸出.

3 結 論

1) 以某1 080 MW機組RCP軸封在線監(jiān)測數(shù)據(jù)作為邊界條件，建立了FEA傳熱模型，仿真計算了泵軸系在正常工作狀態(tài)下近似溫度分布.在第三級軸封段附近，軸金屬壁面的最高溫度約為129 ℃.

2) 通過窺鏡圖像處理方法，監(jiān)測軸封三級泄漏流場流態(tài).并開發(fā)了基于Sobel圖像邊沿偵測算法的Prometheus重要旋轉設備健康狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng).通過沿偵測并考慮停車密封疏排功能限制，最終密封背壓的建議值為1.50 m.

3) 在三級低壓泄漏管線上增設U形連通器可以提高低壓泄漏流背壓，從而改善三號密封浮動O形圈與導環(huán)界面的潤滑性，降低三號密封卡滯風險，提升密封整體可靠性，從而最終達到提升密封性能的目的.