反应堆主循环泵机械密封泄漏分析及改进

2017-04-13黄秀宽杨彤宁波

设备管理与维修 2017年2期

关键词：循环泵密封面孔板

黄秀宽，杨彤，宁波

（中国原子能科学研究院，北京102413）

反应堆主循环泵机械密封泄漏分析及改进

黄秀宽，杨彤，宁波

（中国原子能科学研究院，北京102413）

分析引起反应堆主循环泵机械密封泄漏原因，机械密封冲洗管加装流量孔板阻尼件的改进及效果。

核主泵；机械密封；泄漏

0 前言

某研究型反应堆一回路共有4台主循环泵，分别标号为A，B，C，D，均为卧式单级离心泵。该泵由水力部分、密封装置、电机和惯性飞轮4部分组成，其中密封装置采用核级机械密封。自该反应堆主回路系统调试开始，4台主循环泵机械密封均存在不同程度的泄漏问题，其中C泵最大泄漏率达6 L/h，远大于设计标准。由于其输送的冷却剂具有放射性，故分析查找机械密封泄漏原因、解决泄漏问题成为该系统调试中一项重要工作。

1 机械密封泄漏初步分析

造成机械密封泄漏有多种原因，结合反应堆主循环泵及机械密封结构和特性，主要考虑6方面因素。

（1）密封面磨损。输送介质内杂质进入密封面造成磨损；由于装配不当导致动静环过度压紧造成磨损；由于弹簧压力不均衡造成密封面磨损。

（2）主循环泵转子轴向窜量过大（主循环泵采用一对背靠背推力轴承），使密封面压紧力降低，或使机械密封与轴套间的O形密封圈静密封遭到破坏。

（3）机械密封与主循环泵转子同轴度有偏差，影响动静环正常配合。

（4）主循环泵转子有轻微弯曲变形、转子径向跳动过大。

（5）主循环泵振动过大。

（6）动静环密封面错位。

2 检查测量查找泄漏原因

将泄漏最严重的C泵机械密封拆卸后解体检查，并对该泵振动、转子轴向窜量及径向跳动等进行测量。密封面有轻微磨损；动静环配合良好，弹簧压紧力均匀适当；O形密封圈无损坏，静密封有效；泵转子轴向窜量＞1 mm，需要调整；泵转子无变形弯曲；测量泵轴承及叶轮处机壳振动速度，轴向达到B级，径向水平和竖直均达到A级。

测量完毕后，将轴承压盖密封面车削1 mm以调整转子轴向窜量至合格范围。鉴于动静环密封面有轻微磨损，更换一件新机械密封，安装时注意同轴度，防止密封面错位。新机械密封安装完毕后，启动主循环泵，观察机械密封泄漏没有改善。

3 确认冲洗环节问题

考虑到停泵状态机械密封在静压下为零泄漏这一情况，为进一步查找机械密封泄漏原因，仔细观察泵启动到停止过程的泄漏变化情况。该反应堆主循环泵带有惯性飞轮，泵断电后仍然会惰转一段时间以保证持续供水冷却反应堆堆芯。发现在泵断电的一瞬间，机械密封就停止泄漏。显然，这个现象与冲洗环节联系紧密。由于冲洗水取自泵出口，压力约1.1 MPa，该压力通过冲洗管出口作用在密封面局部，怀疑密封面受力不均匀而产生泄漏。从观察的现象看，泵断电的一瞬间，出口压力降低，冲洗水压力随之下降，机械密封就不再泄漏，由此确定了通过降低机械密封冲洗水压力解决泄漏问题的思路。

4 改进方案

在内径8 mm的机械密封冲洗管中安装直径4 mm的孔板，以降低冷却水流量，从而降低密封面冲洗水压力，减少泄漏。

为从理论上验证上述方案的可行性，对机械密封周围的流道进行计算，计算进水管无孔板（直径8 mm）和有孔板（直径4 mm）2种情况下密封处的压力分布并进行分析比较。

（1）计算方法与模型。由于计算对象较为复杂，采用了数值模拟的方法进行计算。流域的物理模型如图1所示。

使用ICEMCFD 13.0进行网格划分，全部采用结构化网格，无孔板流域节点数为60338，有孔板流域节点数为68230。

使用ANSYS CFX 13.0进行数值模拟。进口条件为全压1.12 MPa；出口条件为静压0.002 MPa；与转动部件接触的各面边界条件为旋转壁面，转速为1480 r/min；其他面为无滑移壁面。湍流模型选用k-ε模型。初算结果表明，流域中部分区域绝对压力远低于零是不合理的，实际上，这些区域应该是发生了汽化。因此，选用空化模型，以模拟汽化现象，从而得到更准确的结果。

（2）计算结果分析。计算结果表明，加装孔板后，冷却水的总流量显著降低，密封处平均压力也随之显著减小，具体参数见表1。