某核電廠350MW核電機組海水泵常見問題及運行優(yōu)化淺析

中核核電運行管理有限公司 韓正昌

某核電廠毗鄰杭州灣，現(xiàn)裝機容量為一臺350MW機組。機組設計海水取水流量為21.33m3/s，位于49-3#海水泵房安裝了4臺海水泵為：02#設冷熱交換器、07#應急柴油發(fā)電機組套管式水冷器提供海水冷卻水。海水泵房為整體構筑物，由于杭州灣在地理上呈漏斗狀，灣面從寬到窄急行收縮，導致取水口所在海域潮強流急、含沙量大，水域漲、落潮含沙量最大可達5～12kg/m3，平均為3～6kg/m3。海水泥沙顆粒直徑比較細（小于0.1mm的顆粒占97%以上），難以預沉去除。海水對泵房內旋轉機械及管道閥門的使用壽命有著不利影響。另外，吸水室結構設計存在著不合理因素，近年來4臺海水泵各類缺陷頻發(fā)，也影響了機組運行的安全可靠性。

某核電廠4臺海水泵為沈陽水泵廠生產20SHF-19型單級雙吸水平中開臥式離心泵，核安全3級，抗震I類設計。海水泵吸入口與吐出口均在軸心線下方，水平方向與軸線成垂直位置。泵體與泵蓋的結合面在軸心線上，其間用膠質石棉板密封，位于泵軸中間位置。兩端支承為滑動軸承，軸密封采用機械密封。泵體與泵蓋共同構成泵的工作室。吸入管與吐出管和泵體鑄成一體，其中心線與軸線呈垂直位置。在吸入管與吐出管的法蘭上留有安裝真空表和壓力表螺孔。在泵蓋上的最高點及吸入管與吐出管的最底位置也留有螺孔，用以啟動前的注水和關閉后放水用。葉輪為雙吸葉輪，水從兩端進入葉輪。由于葉輪形狀對稱，葉輪兩側所受壓力大致相等，過流表面應要打磨光滑，不應有疤痕和砂眼等鑄造缺陷。葉輪裝配在軸的中間，用平鍵、軸套和軸套背帽固定，軸靠兩端軸承支承，通過聯(lián)軸器與其相連接的電動機進行驅動。

1 海水泵常見問題及原因分析

統(tǒng)計近年來有關4臺海水泵產生的缺陷及狀態(tài)報告，設備主要失效形式概括為以下7種：潤滑故障，表現(xiàn)為箱內油擋與軸的安裝位置偏移，油擋定位螺絲松動造成油檔松脫，潤滑脂外漏；泵運行過程中由于振動等原因閥門閥桿松動，閘板振動，閥芯脫落失效及管道活結處滲水；腐蝕，表現(xiàn)為管道砂眼，防腐涂層脫落，法蘭端面銹蝕等現(xiàn)象；海水沖刷或電動頭電樁調節(jié)不到位造成泵進出口閘閥內漏，關不嚴等現(xiàn)象；異物堵塞，表現(xiàn)為工業(yè)水水質差造成機械密封冷卻水和軸承箱冷卻水流量，壓力偏低，海水夾帶泥沙附著造成機械密封失效等；吸入口進氣等造成泵出口壓力低，備用泵啟動異常等；電氣故障。

1.1 腐蝕防護及難點

海水泵由于其介質的特殊性，存在海水對管道、閥門、泵結構部件等多處腐蝕，日常添加次氯酸鈉抑制海生物的滋生，但是次氯酸鈉同樣存在腐蝕問題。相對于管子較細處由于海水腐蝕產生砂眼較多，突出表現(xiàn)是海水泵出口壓力表引壓管與出口母管連接處產生砂眼。早在2017年4臺海水泵均相繼出現(xiàn)此現(xiàn)象，3號海水泵出口壓力表引壓管與出口母管連接處在2017年間出現(xiàn)砂眼3次，砂眼數量最多時4處，巡檢發(fā)現(xiàn)高潮位時砂眼處呲水尤為明顯，水流射出約1.2m遠，出口蝶閥電樁有被淋濕的威脅。

118大修期間，4臺海水泵出口壓力表引壓管因歷史缺陷多，對其統(tǒng)一進行了更換。在更換新引壓管后較短時間內，3#海水泵出口壓力表引壓管重復出現(xiàn)管壁砂眼缺陷。分析原因，運行期間管道受海水（秦山泥沙含量大）沖蝕，而支管焊縫部位存在幾何形狀畸變，容易沖刷導致焊縫穿孔滲漏失效。海水泵出口經過彎管流向兩次改變，可能在小支管與母管連接處存在較嚴重的紊流。小支管焊縫內壁無法實施有效涂層防腐，修復也比較困難，長時間海水腐蝕作用下，容易發(fā)生砂眼或穿孔，另外不排除安裝期間對于部分小支管焊縫可能會存在焊接質量控制不嚴，焊縫存在夾渣、氣孔類等先天缺陷。目前，檢修采取的解決辦法是涂抹補縫劑，并用猴卡固定，后續(xù)觀察砂眼處是否繼續(xù)滲漏，這樣處理使得缺陷有繼續(xù)產生的可能。

海水泵各個部件材料不同，腐蝕效果也有差異。歷年解體大修時發(fā)現(xiàn)，除自由端部分區(qū)域完好以外，泵軸受海水腐蝕較為嚴重，鍍層有大量鼓泡和破損，鍵槽內表面有黃色浮銹，局部分布有淺的腐蝕坑，坑內為黑色，說明泵軸鍍層和基體金屬3CR13在海水環(huán)境中不耐磨，不耐腐蝕，初步判定由于葉輪軸孔端面與軸套端面間密封不嚴使得海水滲入，形成腐蝕環(huán)境，引起泵軸局部腐蝕。如泵軸斷裂，母管流量減少或喪失，機組有被迫降功率和停機的風險。

1.2 備用海水泵啟動異常

早在2015年主控啟動3#海水泵，啟泵后無流量、電流只有10A，開大出口蝶閥無效果。遂即停泵再次充水放氣，就地反饋有氣放出，重啟后運行正常。近年來，海水泵啟動過程中喪失出力的事件共發(fā)生4次，該問題已被列入2018年度該核電站十大技術問題之一。

后維修，技術人員認為造成海水泵備用狀態(tài)下啟動無出力的直接原因為：泵腔進入氣體。分析海水泵泵腔進氣可能當海水泵處于備用狀態(tài)時，如果與其處于同一通道的循泵正在運行，由于海水泵的入口和泵體位置要高于循泵葉輪入口，此時流經循泵入口的大流量海水在吸水室有一定的流速，會對海水泵吸入管口會產生一定的卷吸作用，導致水中微量的氣體緩慢積聚在海水泵吸入管口。

歷史運行經驗表明，在正常情況下，該進氣量微小，并不足以影響海水泵的啟動（除3#海水泵外，其他泵未發(fā)生過類似現(xiàn)象）。而3#吸水室流通體積偏小，且同時布置有2臺海水泵與2臺循泵，所造成的效應比1#、2#吸水室更為明顯。這一點在5#與6#循泵同時運行時，海水泵所需的放氣時間明顯增加以及低潮位下，3#吸水室振動偏大可以印證。3#海水泵與6#循泵所在的海水通道體積是最小的，且布置在廠房最邊緣，因此3#海水泵吸入口所受到的擾動也是最大的。氣體積聚效應被放大，泵體內氣體達到一定量以后，發(fā)生啟動時喪失出力的事件。

另外，循泵的反沖淤易造成海水泵出力不穩(wěn)，特別是低潮位下的反沖可能會造成擾流將氣體排入海水泵吸入口，所以目前運行人員在反沖淤后為保險起見需將3臺備用海水泵均進行放氣操作。

1.3 海水泵機械密封失效

2020年配合2#EDG（B通道）帶載試驗，主控啟動4#海水泵，現(xiàn)場值班員檢查反饋海水泵自由端機械密封處漏水較大，呈線狀。主控遂即停運4#海水泵，4#海水泵停運后自由端機械密封處仍有泄漏（約2s一滴），后續(xù)聯(lián)系維修機械人員到現(xiàn)場再次啟動4#海水泵確認缺陷，現(xiàn)場反饋泵自由端機械密封處漏水呈線狀，判斷機械密封已損壞，停泵通知搶修處理。維修人員完成了4#海水泵解體更換機械密封工作，維修后試車合格。工作中發(fā)現(xiàn)自由端機械密封動環(huán)座不回座是本次機封滲漏的直接原因。

根據4#海水泵解體檢修現(xiàn)場查看情況，發(fā)現(xiàn)動環(huán)支架與動環(huán)彈簧座卡澀造成動環(huán)彈簧座不回座。仔細檢查發(fā)現(xiàn)動環(huán)座表面被泥沙附著現(xiàn)象，動環(huán)支架與動環(huán)彈簧座之間的間隙內有泥沙堆積的情況。

根據以上現(xiàn)象可推斷泥沙堆積在動環(huán)支架與動環(huán)彈簧座之間的間隙之中，導致彈簧座軸向運動時存在卡澀現(xiàn)象，造成動靜密封面形成張口，引發(fā)機械密封滲漏。海水泵機械密封冷卻水由開式工業(yè)水提供，每臺泵有單獨的支路，每臺泵冷卻水入口母管壓力根據運行規(guī)程要求為0.2～0.3MPa，單臺海水泵冷卻水母管分為兩條支路，分別為機械密封水和軸承箱冷卻水，其中軸承箱冷卻水向地溝排放。

一旦海水泵冷卻水母管流量偏低或者斷流，這樣會使得整個冷卻水管線無法形成完整的背壓，可能造成機械密封水壓力下降，使得機械密封水不能充分注入機械密封，導致海水夾帶著泥沙在動環(huán)座位置附著。對機械密封本體進行檢查后發(fā)現(xiàn)動環(huán)支架與動環(huán)彈簧座之間的間隙僅有0.12mm，容易產生泥沙堆積現(xiàn)象。所以通過以上分析認為：機械密封水不能充分注入機械密封，無法保證密封水的流動性，動環(huán)支架與動環(huán)彈簧座之間的間隙小，是造成卡澀的原因。

2 運行優(yōu)化的建議

2.1 模擬水力設計，改善材料性能

目前，在工程上可以使用三維湍流計算進行離心泵流動分析。重新設計泵的葉輪和導流部件，不僅可以滿足水泵性能要求，還可以保證過流部件中流體流速分布均勻，避免脫流和旋渦。提高對過流部件工藝要求，可以避免因葉片型線制作不準確，或流道壁面粗糙，引起局部水流強烈擾動和空化現(xiàn)象。另外，吸取國內外水力機械防止泥沙沖刷腐蝕的實踐經驗和科研成果，結合秦山地區(qū)實際的水質條件，可以改進海水泵現(xiàn)有密封方式，改善葉輪軸孔端面與軸套端面配合處的密封性能。對泵軸材料加以改善，如ZERON25或SR-4DX雙相不銹鋼等材料在國外先進電廠均有引用的例子，能保證密封失效海水滲入的情況下泵軸仍有良好的工作狀態(tài)。

此外，海水泵出口短節(jié)法蘭端面腐蝕問題在某核電站的4臺海水泵出口管道上均有不同程度的存在，部分法蘭的密封面上也存在海水腐蝕，可能在運行期間造成密封失效。海水泵出口短節(jié)材質為低合金鋼10CrMoAl，因長期在潮濕環(huán)境中，管道短節(jié)每次大修都機械解體進行防腐檢查，同時有針對性的整體防腐施工。由于短節(jié)密封面因長期受海水沖刷，部分表面產生凹坑和腐蝕產物，因海水管道為核三級管道，且有一定壓力，如果對密封面防腐，不但會破壞密封水線，而且因施工原因造成密封面表面不齊整，薄厚不均，影響管道密封，嚴重時會造成設備停運，4臺海水泵出口短節(jié)均存在此問題。某核電廠安全管理討論會上已通過了對海水管道采取襯塑的工藝解決方案，然而介質與材料的相容性，振動等不利因素對于襯塑管道和配件的使用維護都有極大的考驗。

2.2 改進狀態(tài)監(jiān)測手段

118大修在主控CB530盤設置循環(huán)水DCS控制站。DCS系統(tǒng)形成集中監(jiān)測與控制，對于分析設備故障提供有力的數據支持。然而對于海水泵的監(jiān)測不夠完善，無法集中提供電流、振動、電機及軸承溫度，轉速等數據，對設備失效缺少參數變化趨勢的說明。近年來，該核電站一直采用預防性維修的體制，這種計劃檢修是在沒有對設備運行狀態(tài)進行全面分析評價下決定的，存在一定的盲目性。如通過DCS系統(tǒng)輔助判斷電機振動和溫度變化，就可在電機輕損期內實現(xiàn)設備維護，可修復性高，檢修周期短。因此，完善DCS對海水泵狀態(tài)的監(jiān)測手段，建立新的設備故障評價標準，是提高電站設備可利用率和可靠性，延長設備使用壽命的一種明智選擇。

2.3 優(yōu)化管線布置，調整循泵運行方式

結合現(xiàn)場條件及運行經驗，優(yōu)化管線布置，對于維護海水泵組高效運行意義重大。例如，減少支管閥門到母管管道長度，改進管線走向或者結構，母管引出部分采用帶法蘭的碳鋼短管，內徑盡量做大，提供良好的機械支撐力，儀表部分采用316L不銹鋼法蘭與短節(jié)法蘭配對，法蘭盤與儀表管間通過焊接大小頭進行變徑，使得儀表管的抗沖擊能力更強等。

118大修期間在每臺海水泵冷卻水管線上增加了一組Y型過濾器。定期清洗保證冷卻水進水壓力和流量穩(wěn)定，但在清洗過程中造成機械密封水斷流，泥沙在動環(huán)座位置附著造成機械密封失效，所以可考慮并列增設另一組Y型過濾器，兩組過濾器增設前后截止閥，實現(xiàn)海水泵冷卻水不斷流清洗的目的。

另外，應合理調整循泵運行方式和切換時間，盡量避免5#與6#循泵同時運行。當6#循泵運行時，優(yōu)先啟動或確認3#海水泵運行，避免循泵在低潮位切換，易形成旋渦，卷吸的空氣隨海水以氣泡形式進入海水泵內，引起泵內汽蝕。在海水泵啟動過程的一段時間內，因流動阻力增加，會加劇汽蝕的現(xiàn)象。

3 結語

結合其他電廠的先進經驗，核電站在不斷追求提升海水泵維修水平的同時，也應嘗試改善海水泵各部件工藝性能。由于受電站取水口天然海水條件的影響和限制，要加強海水系統(tǒng)設備的巡視管理，同時通過海水泵常見問題的原因分析，拓寬運行維護的思路，在日常運行管理中合理優(yōu)化海水泵的運行方式。通過上述幾個方面的工作可達到降低海水泵故障率，延長設備使用壽命的目的。