基于M310核主泵停车密封的失效分析

陈锦裕，杨全超，王 佳，文 学，吴 明，林 淞，杜召瑞，李 宏，田 涛

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反应堆冷却泵（Reactor Coolant Pump）简称核主泵[1]。随着核电行业的蓬勃发展，核主泵的运维安全愈加得到各核电站的重视。反应堆冷却剂泵使冷却剂通过反应堆压力容器，在冷却剂环路中循环。作为冷却剂、慢化剂和硼酸溶剂的水，通过堆芯时被加热，然后进入蒸汽发生器，将热量传递给二回路系统，最后返回反应堆冷却剂泵，重复循环。M310核主泵在安装调试和运行过程中经常出现泄漏、轴瓦烧毁等故障[2]，严重影响着核主泵的正常运行。

1 停车密封的工作原理

主泵停车密封是三级机械密封的后备密封，在泵运行状态下不投用，仅在三级机械密封失效时作为一回路压力边界实现密封。停车密封位于三级密封上部，在主泵停运时，充氮气到停车密封，将可移动环向上顶起，可移动环上O形圈与泵轴联轴器密封，保持一回路密封性。在氮气释放后，依靠停车密封弹簧复位。停车密封气囊的边界由2个三元乙丙橡胶材质的O形圈密封，密封形式如图1所示。

为了实现自密封作用，在安装O形圈时应使其有一定的压缩变形量。当槽壁的光洁度较高时，此变形量即使很小（0.1 mm左右）也能起自密封作用[3]。

2 停车密封失效分析

2.1 情况说明

2017年6月，在一回路低水位（压力为大气压）、主泵轴封未投运的情况下，某核电站发现主泵停车密封投用后出现第三级密封压力持续升高的情况。反复多次投切停车密封后，效果未改善（图2）。

2.2 失效原因分析

查询KDO（试验数据采集系统）趋势线发现，该核主泵停车密封投运后第三级密封最大压力为0.6 MPa，与给停车密封供气的压力基本一致，而该时段一回路压力为大气压。因此可基本判断，该压力来自停车密封气囊。依据停车密封的气囊密封边界进一步分析，初步怀疑O形圈63.2存在密封部分失效。在停车密封投用的情况下，只有当O形圈（项号：63.2）失效时，气囊中的气体沿O形圈密封面泄漏进入第三级机械密封。由于第三级机封的低压泄漏隔离阀关闭，造成压力上升，出现第三级密封后压力上涨现象。

图1 O形圈局部

图2 3台核主泵第三级密封后压力随停车密封投运的变化趋势

图3 根本原因故障树分析

2.2.1 O形圈缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈/不锈钢平面配副发生摩擦氧化。研究表明O形圈/不锈钢平面配副随着位移幅值的增加，O形圈依次运行于部分滑移区（Partial slip regime，PSR）、混合区（Mixed fretting regime，MFR）和滑移区（Slip regime，SR）。在 MFR 和SR 的磨损表面，O形圈发生了明显摩擦氧化，导致密封失效。

②O形圈老化失效。O形圈的失效表现为裂纹的萌生与扩展、表面剥落和点蚀以及局部的磨损。这些失效将导致密封失效。

③O形圈自身质量不合格。O形圈自身质量不合格、回弹性能不好，导致密封失效。

（2）问题排查

该主泵停车密封于2016年9月完成组装，O形圈（项号：63.2）材质为三元乙丙橡胶，保质期7 a。安装后至2017年6月16日前，该主泵已完成机组冷试、热试等相关试验，其间停车密封投切次数高达约30次（依据操作规程《主回路压力低于2.9 MPa.g反应堆冷却剂泵的运行规程 001 01》和《主回路压力大于2.9 MPa.g反应堆冷却剂泵的运行规程 001 02》：当主泵停运时间超过2 h时需投运停车密封），期间未发生同类现象，且结合同时安装的另外2台核主泵也未发生过同类现象。依据同批次O形圈质量基本相似的原理，基本可以排除该核主泵产生摩擦氧化、老化失效以及存在质量不合格的可能。

2.2.2 O形圈接触缺陷及排查

（1）原因分析

①O形圈圈槽缺陷。O形圈与圈槽接触产生密封。当圈槽上存在凹坑、划痕及裂纹时，将会导致O形圈与圈槽接触不充分，导致密封失效。

②O形圈密封面缺陷。O形圈密封面产生凹坑、划痕及裂纹时，O形圈与密封面接触不充分，会导致密封失效（图3）。

（2）问题排查

经查热试期间及4RCP系统移交后的一段时间内，多次投运主泵停车密封未出现过三级密封压力升高问题。故可排除O形圈接触缺陷。

2.2.3 杂质影响

（1）原因分析

组装过程中O形圈附近引入杂质，O形圈移动过程中杂质进入到密封面造成密封部分失效。当停车密封供气管线不干净、RAZ（核岛氮气分配系统）供气气体存在杂质时，在投运停车密封时铁锈等杂质随气流进入氮气气囊，并在重力作用下沉积在靠近O形圈63.2位置，在O形圈移动过程中，杂质进入密封面，造成密封部分失效。

（2）问题排查

①组装过程引入杂质。经查在组装期间，组装人员严格按照《Preventing foreign matter work program for Fuqing U－nits3&4 RCP assembly in AC building》实施防异物管理。另外，该核主泵在安装后依次经历了22.8/17.5 MPa一回路水压试验以及冷试、热试长时间带载运行，期间多次投用停车密封，未出现三级密封压力升高问题。所以，可以排除组装过程引入杂质。

②系统安装阶段引入杂质。系统安装阶段引入杂质的途径主要有2个：气源含杂质和管线含杂质。经查调试阶段，该核主泵停车密封主要使用的气源来自2路：RAZ氮气以及SAR（压缩空气系统）仪用压缩空气。上述系统在引入气源时均使用滤网过滤，因此基本排查气源引入杂质的可能性。因此初步判断，导致停车密封失效的原因是管线锈蚀异物进入停车密封，导致O形圈63.2密封部分失效。

图4 停车密封吹扫流程

2.3 试验验证

核主泵停车密封的供气管线如下图4所示。为了验证该管线是否锈蚀，对图4流程图中的粗线条进行管线吹扫。在管线末端用白布挡住，使吹扫气体经白布过滤后排空。吹扫结果如图5所示。

图5 停车密封供气管线吹扫情况

从图5可以看出，吹扫出来的主要杂质为铁锈及部分脏水，可以判断管线中存在水分锈蚀供气管线。经多次吹扫，待吹出气体干净无杂质后，重新投运该核主泵的停车密封。2017年6月，22日 15:54，23日 11:18，12:09和 18:15，25日 11:18和 19:18，30日11:18和14:25，4RCP003PO停车密封关限位正常触发，停车密封投运状态正常。因此可以确定，导致停车密封失效的原因是管线中存在铁锈等杂质。

3 结论

经过对造成核主泵停车密封失效的原因进行分析及验证，得出造成该核主泵停车密封投运后第三级密封压力持续升高的直接原因是，管线锈蚀异物进入停车密封导致O形圈63.2密封部分失效。主要原因是调试期间对供气管线吹扫不充分，导致管道内有水分或杂质残留。