核電站一回路上充泵密封故障分析與處理

牛培宇，孫忠志，楊運忠，李明玖，李 健

（江蘇核電有限公司維修二處，江蘇連云港 222042）

0 引言

某核電站3/4號機組化學和容積控制（KBA）系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)動設(shè)備為小流量上充泵，結(jié)構(gòu)形式為臥式三柱塞曲柄連桿型容積泵，每臺機組共有KBA51/52/53AP001三臺泵，一用一備一應(yīng)急。安全等級3H，質(zhì)保等級QA2，抗震等級Ⅱ，該泵由電機、齒輪箱、曲軸箱和液壓缸體組成，主要參數(shù)見表1。

表1 小流量上充泵主要參數(shù)

小流量上充泵KBA51/52/53AP001的主要功能：①在反應(yīng)堆“加熱”“冷卻”工況下投入運行，維持冷卻劑在KBA系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)；②在一回路水壓試驗時提升一回路壓力至17.6 MPa；③在調(diào)硼工況以及發(fā)生一回路泄漏事故工況下投入運行，向一回路輸送硼酸溶液或純凝結(jié)水；④在功率運行期間維持“上充”工況；⑤主泵獨立回路的應(yīng)急噴淋。

該系統(tǒng)泵的運行情況密切關(guān)系到機組的安全可靠運行，但自從安裝調(diào)試期間起，該系統(tǒng)泵一直存在密封組件壽命短導(dǎo)致介質(zhì)頻繁泄漏超標等缺陷，無法長期穩(wěn)定連續(xù)運行，直接影響機組建設(shè)工程節(jié)點和安全運行。

1 小流量上充泵結(jié)構(gòu)組成

小流量上充泵由電機、齒輪箱、曲軸箱、液壓缸體組成（圖1）。電機通過齒輪箱連接曲軸并傳遞扭矩，曲軸和連桿大頭軸瓦連接，連桿小頭軸瓦通過圓柱銷和十字滑塊連接，將曲軸的圓周運動轉(zhuǎn)化為十字滑塊的往復(fù)直線運動。十字滑塊端部連接由球頭連桿、連接頭、柱塞組成的軸系，最終使柱塞進行往復(fù)運動，見圖2。

圖1 小流量上充泵俯視圖

圖2 小流量上充泵結(jié)構(gòu)組成

每臺泵包含3組液壓缸，液壓缸內(nèi)密封件和柱塞形成密封組件密封介質(zhì)和冷卻水，其內(nèi)部密封組件布置方案見圖3。

圖3 液壓缸密封組件布置

每個液壓缸共在5個位置依次設(shè)置3-2-2-3-7共計17個唇形密封圈，將液壓缸內(nèi)分成5個區(qū)域，從左向右依次為：①柱塞冷卻水外漏引流的敞口區(qū)域；②柱塞冷卻水區(qū)域（A）；③柱塞冷卻水內(nèi)漏引流區(qū)域（B）；④一回路介質(zhì)內(nèi)漏引流區(qū)域（C）；⑤一回路介質(zhì)區(qū)域（D）。

唇形密封結(jié)構(gòu)形式可以壓緊變形，位于缸體左側(cè)的兩個壓蓋可以調(diào)整密封組件的壓緊力。旋緊大壓蓋后將推入冷卻水缸套，進而壓緊一回路側(cè)的7個唇形密封，調(diào)增一回路側(cè)密封性；旋緊小壓蓋后將直接將壓緊力傳遞至3-2-2-3等4組冷卻水側(cè)的密封件上，調(diào)整冷卻水側(cè)密封性。

用于密封一回路的7個唇形密封處設(shè)置彈簧提供預(yù)壓緊力，保證唇形密封產(chǎn)生變形配合柱塞進行密封，每根柱塞設(shè)置兩處滑動導(dǎo)軸承進行徑向限位。

2 缺陷描述

密封件采用唇形密封（圖4），材料為F4PM20（Ф4К20）,為俄羅斯廠家提供的一種氟塑料并添加填充物，唇形密封的密封原理是依靠裝填在密封腔體中的預(yù)緊壓力，使其唇邊緊貼密封腔體和柱塞，阻塞泄漏通道而獲得密封效果。唇形開口需要朝向高壓方向，在壓力作用下更加貼緊內(nèi)、外表面，從而增強密封效果。如需要進一步增強自密封性，安裝時需要進行預(yù)緊，產(chǎn)生徑向的膨脹變形，擠緊柱塞實現(xiàn)密封。

圖4 唇形密封結(jié)構(gòu)及工作原理

通過2017—2018年期間多臺泵的運行和驗證，密封組件的使用壽命只有15～20 d，無法滿足運維手冊中明確的密封累計使用壽命不低于1000 h（約42 d）的要求。

3 缺陷分析

3.1 原因分析

經(jīng)查閱文獻和梳理，影響柱塞泵密封壽命的因素較多。

（1）柱塞作為運動部件，在密封件上做摩擦往復(fù)運動，要求柱塞表面有足夠的光潔度和硬度。較高的光潔度可以減少摩擦力，減少發(fā)熱，同時也需要保持一定的硬度，避免被填料快速磨損，磨損會增大摩擦力，進一步導(dǎo)致發(fā)熱和磨損。

（2）泄漏量和預(yù)壓緊力平方成反比，但預(yù)壓緊力和摩擦力成正比。壓緊力過小，泄漏量過大，長時間帶壓泄漏將會損傷密封件；若壓緊力過大，也會造成上述的發(fā)熱問題，如大量生熱，密封件會產(chǎn)生粘連、焦灼、疊層、扭曲、錯移、擠壓飛邊等損壞。

（3）密封材料是決定密封壽命的關(guān)鍵，密封材料應(yīng)具有耐磨性好、耐沖擊性好、耐熱性好、適當?shù)捻g性及一定的強度，同時在超高壓力作用下材料不會改性且最好具有一定的自潤滑性。密封組件材料在承受高壓力擠壓的同時，由于配合零件之間存在間隙，柱塞運動軌跡并非理想直線，密封組件會承受較大的扭曲力，選用高柔韌性材料加工密封，能很好地解決材料的開裂問題。但過多地考慮材料的韌性，較軟材料在高壓作用下，密封會發(fā)生擠壓變形，尤其是密封唇部結(jié)構(gòu)形狀變化后，改變了原始設(shè)計配合關(guān)系，見表2。同時，密封材料在超高壓作用下會受到壓縮，產(chǎn)生較大的軸向位移間隙，極短的時間就發(fā)生密封失效。

表2 不同材料失效形式

（4）影響密封失效的主要因素（圖5）

圖5 影響密封失效的主要因素

3.2 原因排查

通過現(xiàn)場檢查、參數(shù)對比，對密封失效因素進行排查。

（1）柱塞表面粗糙度0.2，且進行表面處理以提高硬度，每次拆卸檢查柱塞表面，如果是新更換的柱塞，運行一個周期基本上沒有明顯劃痕，多次運行后柱塞才存在較淺劃痕，且新更換柱塞后運行，唇形密封的使用周期同樣只能運行15～20 d。可排除柱塞材質(zhì)和粗糙度因素。

（2）柱塞線速度可以轉(zhuǎn)換成為泵的出口流量進行評價。柱塞線速度設(shè)計范圍為45～225 r/min，但大部分工況都在50%額定流量即112 r/min以下的中低速度運行，工況相對穩(wěn)定（圖6），且屬于無法進行更改的參數(shù)?？膳懦€速度因素。

（3）密封預(yù)壓緊力由彈簧提供，拆卸過程使用不同尺寸的調(diào)整環(huán)可調(diào)整預(yù)壓緊力的大?。ò惭b后預(yù)壓緊力無法調(diào)整），前期拆卸過程沒有對廠家提供的調(diào)整環(huán)進行對比，均為直接安裝，可能存在預(yù)壓緊力不合適的情況。密封預(yù)壓緊力為可能因素。

（4）3/4號機組密封件和1/2號機組上充泵使用的密封件相同，材質(zhì)為俄供氟塑料F4PM20（Ф4К20），一期的使用壽命目前普遍為30～40 d，略高于3/4號機組，但也不滿足運維手冊要求。密封件材質(zhì)特性為可能因素。

（5）泵自帶安全閥，安全閥的介入壓力為16.7 MPa，避免超壓損傷設(shè)備及密封件。查詢參數(shù)，泵出口介質(zhì)壓力一直保持額定壓力15.7 MPa，參數(shù)比較穩(wěn)定，安全閥起跳壓力和實際運行壓力均小于泵最大允許工作壓力19.6 MPa?？膳懦橘|(zhì)壓力因素。

（6）經(jīng)查詢對比泵的一回路側(cè)泄漏曲線和介質(zhì)溫度曲線（圖6）發(fā)現(xiàn)，泄漏量和柱塞頻率入口介質(zhì)溫度有正向?qū)?yīng)耦合關(guān)系，由于入口介質(zhì)溫度因受上游除氣器不定期工作投用的影響，會在60～104℃范圍內(nèi)波動。相比在104℃的額定介質(zhì)溫度工況下，當介質(zhì)入口溫度在60～70℃時，泄漏量大幅降低，隨著溫度升高時，泄漏量也隨之明顯增加。介質(zhì)溫度為可能因素。

圖6 泄漏量、介質(zhì)溫度、流量曲線

（7）泵的介質(zhì)分為反應(yīng)堆一回路冷卻劑（下泄后上充）和清水兩種，其中絕大部分時間為反應(yīng)堆一回路冷卻劑，主要含硼酸，化學成分較為穩(wěn)定，介質(zhì)含放射性，但該參數(shù)為不可改變/抗拒因素，需由密封件材質(zhì)特性環(huán)節(jié)兼顧考慮，且一回路介質(zhì)水質(zhì)監(jiān)測環(huán)節(jié)為電站運行重點監(jiān)測指標，未出現(xiàn)偏差?？膳懦橘|(zhì)特性因素。

（8）3/4號機組該泵在柱塞球頭連桿處結(jié)合1/2號機組的經(jīng)驗反饋，實施了十字滑塊鑲嵌高硬度墊塊的優(yōu)化，見圖7，避免出現(xiàn)因十字滑塊變形導(dǎo)致存在過大的非軸向受力，影響軸系直線度的情況，在每次處理密封泄漏缺陷過程，都會復(fù)查該位置狀態(tài)，偶爾發(fā)現(xiàn)存在球頭連桿調(diào)整壓蓋略松情況（重新緊固），屬于個例情況。排除柱塞軸系直線度因素。

圖7 十字滑塊部位優(yōu)化

（9）后續(xù)每次拆卸過程重點檢查各部件是否存在安裝不當或不到位情況，在未出現(xiàn)安裝問題的前提下，仍未解決密封壽命問題，排除柱塞軸系直線度因素。

經(jīng)過上述因素排查得出，影響密封壽命的關(guān)鍵因素集中在唇形密封預(yù)壓緊力、密封件材質(zhì)特性和介質(zhì)溫度方面，但系統(tǒng)介質(zhì)溫度標準和溫度波動運行的工況屬于無法修改的因素，因此需要從材質(zhì)選取中關(guān)注材質(zhì)自身對溫度的適應(yīng)方面進行考慮。

4 改進方案

4.1 唇形密封預(yù)壓緊力問題

泵的唇形密封預(yù)壓緊力由彈簧提供，經(jīng)現(xiàn)場對6臺泵安裝的彈簧進行測量，發(fā)現(xiàn)由于彈簧長度存在一定誤差，設(shè)計長度實際長度為46～54 mm，最大壓縮量為12～18 mm，差別較大，在實際使用中，也存在對彈簧的壓縮量調(diào)整不一致導(dǎo)致密封預(yù)壓緊力不當?shù)那闆r。

6臺泵重新挑選使用尺寸為48.5～50 mm的彈簧，并通過加工調(diào)整環(huán)厚度，將每臺泵3個缸的彈簧工作壓縮量調(diào)整基本一致，誤差不超過0.5 mm。結(jié)合多次實際運行結(jié)果，逐步試驗最佳實際工作壓縮量為12～13 mm。

4.2 密封件材質(zhì)特性問題

將密封材質(zhì)與系統(tǒng)介質(zhì)溫度變化的對應(yīng)關(guān)系向俄羅斯廠家進行通報，建議廠家對唇形密封的性能進行優(yōu)化，需重點關(guān)注熱膨脹、形變等和溫度相關(guān)的參數(shù)，確保材料在受熱、承壓狀態(tài)下密封不發(fā)生永久變形，保持密封副配合的相對穩(wěn)定。同時保證合理的強度和韌性，滿足密封件的完整和超高壓狀態(tài)下密封形狀的完好性。

經(jīng)過對各類材質(zhì)組織查找驗證，唇形密封優(yōu)化后的新材質(zhì)選擇АрФлон/Arflon AR200系列的AR204。

Arflon是一種含氟高分子聚合物材料，通過將PTFE粉末預(yù)壓實，然后進行物理化學加工處理獲得。Arflon在化學性能方面與PTFE（聚四氟乙烯或氟塑料-4）類似，但在物理、機械和抗磨性能方面明顯優(yōu)于PTFE。其工作溫度范圍-150～250℃，可在化學和生物侵蝕性介質(zhì)、碳氫化合物、海水以及電離輻射效應(yīng)條件下使用。

AR204具有無冷流性（蠕變速率下降1000倍及以上，在較大的應(yīng)力和溫度范圍內(nèi)都具有彈性性能）、高彈性模量（在室溫下最多增加到2倍，在250℃時增加為原來的3～4倍）、摩擦因數(shù)與滑動速度的關(guān)系曲線指標值較低、高抗輻射性等特點，見表3。

表3 Arflon的物理性能

特別是相比原材料F4PM20（Ф4К20）及其他對照含氟聚合物，AR204能重點提高在高溫下的形變特性，如150℃下1 h總形變量降低8%，1 h后膨脹率降低10%，見表4、表5。

表4 Arflon與其他氟聚合物在230℃時的形變特性對比

表5 Arflon與其他氟聚合物在150℃時的形變特性對比

唇形密封材質(zhì)經(jīng)過篩查和對比，確定選擇高溫下形變特性更優(yōu)秀的AR204材質(zhì)唇形密封，對現(xiàn)場6臺泵全部更換并進行驗證。

5 后續(xù)驗證

2018年8月30KBA53AP001作為第一臺泵開始安裝該優(yōu)化后材質(zhì)AR204密封進行驗證，并調(diào)整保證預(yù)壓緊力，最終累計運行70 d。后續(xù)依次完成其他5臺泵的優(yōu)化材質(zhì)唇形密封更換和預(yù)壓緊力優(yōu)化調(diào)整，截至2021年2月，該系統(tǒng)泵的新型密封壽命平均77 d，比優(yōu)化前15～20 d的密封壽命有了大幅提升，滿足運維手冊需要保證累計運行42 d的技術(shù)要求，見表6。

表6 優(yōu)化后材質(zhì)AR204唇形密封運行時間統(tǒng)計 d

在泵泄漏超標后的拆解檢查過程，AR204材質(zhì)的唇形密封存在輕微變形和磨損，與之配合的柱塞也基本無明顯劃痕，相比舊材質(zhì)唇形密封，能保證外觀基本完好，無嚴重劃痕、變形和破損（圖8）。

圖8 唇形密封材質(zhì)優(yōu)化前后使用情況

6 結(jié)束語

某核電站3/4號機組三柱塞式小流量上充泵是一回路相關(guān)系統(tǒng)的重要設(shè)備，承擔維持冷卻劑在KBA系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)、在功率運行期間維持“上充”工況等重要功能。但從安裝調(diào)試期間起，該系統(tǒng)泵密封故障頻發(fā)，嚴重影響建設(shè)工程節(jié)點和機組安全運行。通過對影響密封壽命的原因進行分析排查，從設(shè)計、材質(zhì)、系統(tǒng)等方面分析查找出主要影響因素、制定針對性的措施并組織實施，通過實際驗證，密封組件平均使用壽命從15～20 d天提升至77 d，提高了該系統(tǒng)泵的運行可靠性，保證機組的安全穩(wěn)定運行，也為其他電站和機組類似的缺陷處理提供借鑒。