核反應(yīng)堆熱電偶機(jī)械密封泄漏原因分析及優(yōu)化措施

陸少威，聶文哲，何子健，何少華，戚宏昶

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

熱電偶組件由熱電偶導(dǎo)管、熱電偶集束管、熱電偶機(jī)械密封等組成，位于頂蓋球冠部位，屬于反應(yīng)堆一回路壓力邊界最薄弱的環(huán)節(jié)之一，其可靠性直接影響核電廠一回路的嚴(yán)密性和安全性。機(jī)組運(yùn)行期間，熱電偶機(jī)械密封承載著一回路硼酸水高溫、高壓、高輻射、水流沖擊的作用，壓力邊界一旦泄漏將導(dǎo)致停機(jī)停堆、退狀態(tài)等不可逆的嚴(yán)重后果。

1 泄漏情況介紹

國內(nèi)某機(jī)組換料大修啟機(jī)階段，一回路系統(tǒng)到達(dá)2.5 MPa查漏時(shí)，機(jī)械密封無泄漏，復(fù)測螺栓預(yù)緊力矩并檢查防松鎖緊形式均正常。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到7 MPa時(shí)，再次查漏發(fā)現(xiàn)其中一組機(jī)械密封存在微量滲漏。增加起重螺栓力矩后滲漏情況消除。保守決策，機(jī)組大修模式退狀態(tài)，重新安裝熱電偶機(jī)械密封。該熱電偶機(jī)械密封自機(jī)組商運(yùn)后未進(jìn)行過變更改造，本次大修熱電偶安裝只更換了碟型墊片，其他備件均無更換記錄。

2 熱電偶機(jī)械密封泄漏原因分析

2.1 密封結(jié)構(gòu)介紹

熱電偶機(jī)械密封采用碟型墊片(CONOSEAL)和錐型墊片(GRAYLOC)的組合密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)，如圖1。

圖1 一種典型的壓水堆核電機(jī)組熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A typical schematic ofthe thermocouple structure of PWR nuclear power plant

2.2 原因分析

從設(shè)備結(jié)構(gòu)角度出發(fā)， GRAYLOC密封結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠。CONOSEAL密封結(jié)構(gòu)由于預(yù)緊力矩較小、集束管易傾斜等原因，相對(duì)GRAYLOC密封結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生泄漏。從現(xiàn)場可知，本案例機(jī)械密封GRAYLOC結(jié)構(gòu)處無泄漏， CONOSEAL密封結(jié)構(gòu)處存在微量滲漏。以下針對(duì)CONOSEAL密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行原因分析：

(1)設(shè)計(jì)缺陷可能性分析

設(shè)計(jì)缺陷會(huì)導(dǎo)致密封失效，通常發(fā)生在首次安裝或在安裝后的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，如零部件的尺寸設(shè)計(jì)不合理、粗糙度設(shè)置不合理、材料選擇不合理、緊固件預(yù)緊力矩計(jì)算偏差等。本案例熱電偶機(jī)械密封未進(jìn)行過變更改造，基本排除設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致密封泄漏的可能。

(2)備件缺陷可能性分析

碟型墊片是密封安裝的必?fù)Q件，本案例安裝時(shí)僅更換碟型墊片，在一回路系統(tǒng)到達(dá)2.5 MPa查漏時(shí)，熱電偶機(jī)械密封也無泄漏情況；事后檢查墊片表面密封線連貫完好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，可以排除備件缺陷導(dǎo)致密封失效的可能。

(3)異物可能性分析

密封面上存在異物可能導(dǎo)致密封失效。但現(xiàn)場密封墊密封線連貫、完整，可以排除密封面上存在異物導(dǎo)致密封失效的可能。

零部件安裝貼合面若存在異物，將影響機(jī)械部件配合精度和均勻程度，導(dǎo)致密封比壓不均勻造成密封失效，零部件貼合面存在異物有可能導(dǎo)致密封失效。

(4)密封面損傷可能性分析

零部件在拆裝、清洗、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，存在損傷密封面導(dǎo)致密封失效的可能。特別是徑向微小劃痕，易發(fā)生間隙腐蝕，隨著時(shí)間的推移腐蝕加劇，也可能導(dǎo)致密封泄漏。另外，系統(tǒng)可能引入微量Cl-離子等容易吸附在不銹鋼表面破壞密封面，導(dǎo)致密封失效。

現(xiàn)場查看零部件密封面均未發(fā)現(xiàn)缺陷，可排除密封面損傷造成密封失效的可能。

(5)零部件磕碰損傷可能性分析

人員意外磕碰或損壞零部件，可能改變零部件之間的配合尺寸，導(dǎo)致密封比壓不均勻造成密封失效。現(xiàn)場檢查，未發(fā)現(xiàn)磕碰痕跡，則可以排除零部件磕碰導(dǎo)致密封失效的可能。

(6)零部件裝反可能性分析

安裝過程中，蝶形墊片最易裝反，墊片必須開口向上，否則易造成密封失效?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)零部件均未裝反，所以排除零部件裝反的可能性。

(7)實(shí)際預(yù)緊力矩偏差可能性分析

任何墊片具有一定彈性和塑性。當(dāng)預(yù)緊力矩偏大，墊片上的載荷超過一定范圍時(shí)，除發(fā)生彈性變形外還會(huì)產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)墊片回彈補(bǔ)償能力降低。在一回路系統(tǒng)壓力下行階段，容易產(chǎn)生泄漏情況。如果現(xiàn)場預(yù)緊力矩偏小，不能提供足夠的密封比壓，容易在升壓階段造成密封失效，存在預(yù)緊力矩偏小導(dǎo)致在系統(tǒng)升壓階段泄漏的可能性。

(8)預(yù)緊力矩?fù)p失過大可能性分析

螺紋副、零部件摩擦面間存在摩擦力等因素，將導(dǎo)致預(yù)緊力矩?fù)p失。螺紋或接觸面潤滑不足、表面粗糙、存在缺陷等情況，造成預(yù)緊力矩?fù)p失過大，易導(dǎo)致密封失效。

(9)密封比壓不均勻可能性分析

預(yù)緊力矩差異大、墊片放置偏斜或坐偏、零部件裝配接觸面存在異物、集束管偏斜時(shí)，將直接或間接導(dǎo)致密封比壓不均勻，導(dǎo)致密封泄漏。案例碟型墊片密封線雖連貫完好，但是無法分辨其均勻程度，所以密封比壓不均勻可能導(dǎo)致密封失效或?qū)γ芊馐в杏绊憽?/p>

(10)防松失效可能性分析

熱電偶機(jī)械密封螺栓防松鋼絲繩鎖緊方向錯(cuò)誤將導(dǎo)致密封失效。經(jīng)現(xiàn)場查看，案例現(xiàn)場防松形式和鋼絲繩方向均正確，所以排除防松失效導(dǎo)致密封失效的可能性。

2.3 原因分析小結(jié)

本章對(duì)CONOSEAL密封結(jié)構(gòu)泄漏原因從設(shè)計(jì)、備件、異物、密封面、預(yù)緊力矩、人因失誤等角度進(jìn)行了分析排查，最終確定“異物”“預(yù)緊力矩偏小”“預(yù)緊力矩?fù)p失過大”“密封比壓不均勻”四個(gè)原因可能導(dǎo)致密封失效，如圖2所示。

圖2 密封失效原因分析Fig.2 The cause analysis of seal failure

3 熱電偶機(jī)械密封安裝優(yōu)化措施

熱電偶機(jī)械密封安裝質(zhì)量直接影響電廠核安全性及經(jīng)濟(jì)效益。通過原因分析和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，我們應(yīng)采取相應(yīng)的措施及對(duì)策，保證熱電偶機(jī)械密封的安裝質(zhì)量。

(1)新設(shè)計(jì)首次應(yīng)用前必須充分評(píng)估論證

在新技術(shù)或新設(shè)備首次應(yīng)用前必須對(duì)材料、尺寸、技術(shù)要求、預(yù)緊力矩等方面進(jìn)行充分的評(píng)估論證。

(2)持續(xù)關(guān)注介質(zhì)對(duì)設(shè)備的腐蝕情況

如果遇泄漏必須仔細(xì)清理頂蓋和設(shè)備上的硼酸水或硼結(jié)晶，避免其對(duì)壓力容器頂蓋等設(shè)備造成任何腐蝕。每次大修都需目視檢查，確保壓力容器頂蓋等設(shè)備的良好狀態(tài)。

對(duì)于和主系統(tǒng)介質(zhì)接觸的熱電偶零部件需要持續(xù)關(guān)注介質(zhì)對(duì)設(shè)備的腐蝕情況，必要時(shí)進(jìn)行更換。由于陰法蘭焊接在頂蓋上，其更換的成本巨大，我們應(yīng)該特別關(guān)注和保護(hù)。

(3)新備件使用前必須檢查復(fù)驗(yàn)

新備件的制造必須根據(jù)上游文件嚴(yán)格控制。密封備件雖有互換性，但是使用前必須對(duì)關(guān)鍵尺寸、密封面情況、表面粗糙度、相關(guān)文件材料等進(jìn)行仔細(xì)檢查、復(fù)核和驗(yàn)證。

(4)做好零部件清洗及異物控制

必須重視零部件的清潔度和異物控制。熱電偶機(jī)械密封安裝前需使用綢布、丙酮或酒精等對(duì)零部件進(jìn)行清洗并檢查。

(5)增加密封面保護(hù)、零部件防磕碰措施

零部件和密封面防磕碰保護(hù)除了人員在操作過程中，必須特別關(guān)注以外，還可以制作專用工裝進(jìn)行保護(hù)，具體如下：1)設(shè)計(jì)制作熱電偶零部件轉(zhuǎn)運(yùn)箱；2)設(shè)計(jì)制作Swagelok接頭組專用量規(guī)；3)設(shè)計(jì)制作陰法蘭密封面保護(hù)蓋板；4)蝶型墊片取出工具；5)做好螺紋或接觸面潤滑，減少力矩?fù)p失和咬死風(fēng)險(xiǎn)。

(6)做好螺紋或接觸面潤滑，減少力矩?fù)p失和咬死風(fēng)險(xiǎn)

熱電偶機(jī)械密封安裝前需在螺紋副、零部件相對(duì)摩擦面、密封面等部位涂抹防咬劑。

(7)提高密封預(yù)緊的均勻性

開發(fā)熱電偶機(jī)械密封安裝專用工具，保證設(shè)備安裝的均勻程度。

(8)嚴(yán)格控制安裝關(guān)鍵點(diǎn)

1)每組機(jī)械密封零部件通常單獨(dú)存放，且對(duì)應(yīng)安裝在特定位置。

2)碟型墊片安裝時(shí)必須碗口朝上，作為現(xiàn)場質(zhì)量見證點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的現(xiàn)場見證。

3)在安裝前，需檢查集束管偏斜情況，必要時(shí)需要人工扶正再進(jìn)行后續(xù)安裝步驟。

4)螺栓預(yù)緊必須均勻，防止密封墊壓偏、移位或受壓不均。按技術(shù)要求嚴(yán)格控制力矩值。

5)HALF夾具單側(cè)間隙不得貼死，否則容易導(dǎo)致密封比壓不均，造成密封失效。

6)主系統(tǒng)嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)預(yù)緊力矩和安裝間隙進(jìn)行復(fù)測并確認(rèn)預(yù)緊力矩和安裝間隙滿足技術(shù)要求。同時(shí)，對(duì)緊固件進(jìn)行防松鎖緊(Z字型)。

(9)設(shè)計(jì)制作熱電偶機(jī)械密封模擬體

設(shè)計(jì)制作熱電偶機(jī)械密封模擬體可在日常進(jìn)行操作培訓(xùn)，有助于提高維修人員的操作技能和熟練度，減少人因失誤的風(fēng)險(xiǎn)。

(10)優(yōu)化措施小結(jié)

通過密封泄漏的原因分析，結(jié)合熱電偶機(jī)械密封安裝過程中的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，制定措施及對(duì)策，見圖3。

圖3 熱電偶機(jī)械密封安裝優(yōu)化措施Fig.3 Optimization measures of thermocouple mechanical seal installation

4 結(jié)束語

本文對(duì)某核電機(jī)組熱電偶機(jī)械密封泄漏缺陷進(jìn)行分析排查，找出可能導(dǎo)致密封失效的原因，結(jié)合安裝過程中可能導(dǎo)致密封失效的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，采取相應(yīng)的措施和對(duì)策。經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后，秦山核電基地沒有出現(xiàn)過熱電偶密封失效情況，保證了電廠的核安全性及經(jīng)濟(jì)效益。

目前，AP1000和“華龍一號(hào)”等先進(jìn)堆型已經(jīng)采用新型熱電偶機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)可靠密封的同時(shí)拆裝更加便捷，如Quickloc密封結(jié)構(gòu)等。當(dāng)今世界各領(lǐng)域技術(shù)井噴式發(fā)展，隨著電廠對(duì)設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)效益、輻射劑量優(yōu)化等方面的逐漸重視，未來還需要開發(fā)更可靠、更加捷的密封結(jié)構(gòu)，為電廠卓越績效做出貢獻(xiàn)！