堆腔注水冷却泵密封方案选择和执行管理

赵巍 张国翔

中图分类号：TM623 文献标识：A 文章编号：1674- 1145（2020）01- 101- 02

摘 要 密封系统是泵的重要组成部分。机械密封性能先进、密封可靠、寿命长，能有效的提高设备运行稳定性，是核电站用泵最常用的密封型式。堆腔注水冷却泵是我国自主研发的第三代核电站堆型华龙一号的新设备，本文将对机械密封的结构型式和常用的冲洗方案进行阐述分析，并根据堆腔注水冷却泵的布置方案、运行工况确定选用单端面平衡型静止式多弹簧内装机械密封，冲洗方案为PLAN11。

关键词 堆腔注水冷却泵 机械密封 冲洗方案。

华龙一号核电机组中的堆腔注水冷却泵布置在核安全厂房标高-12.2米处，功能是在发生堆芯熔化的严重事故时，提供大流量的冷流体注入到反应堆压力容器与保温层之间，带走堆芯熔融物的热量，保持压力容器的完整性。堆腔注水冷却泵为立式、双壳体、多级离心式结构，内部组件为可整体从外筒体内抽出的芯包。

机械密封是通过结构转换，将轴与静止部件的密封由径向接触转换成轴向接触。其优点是：

1.二个接触平面可以做得很精确。

2.平面磨损后，可以自动补偿。

3.转轴的跳动对平面影响较少，可维持很好的接触。

4.平面易于加工，可选用很耐磨、很硬的材料。

5.可以精確控制二个平面的压紧力。

因此其泄漏率远比填料、浮环、迷宫等密封要少。

一、机械密封的分类

机械密封的结构通常由四部份组成：1.一对平面接触的摩擦环。2.橡胶密封圈。3.保持密封面接触的弹簧。4.结构、传动件。但其结构形式有多种。以下对各种结构形式特点做简单介绍：

（一）平衡式与非平衡式

密封处在压力流体的包围之中，除了外径（或内径）受压外，密封面的接触压力也与介质压力有关，平衡式机封轴向两侧介质压力可以相互抵消，因此介质压力变化对密封面压力影响很小，能够降低密封面的磨损，延长寿命，但结构复杂，成本高； 非平衡式机封结构相对简单，成本低。但密封面压力受介质压力影响较大。

（二）旋转式与静止式

按弹簧作用在动环还是静环上，机封可分为旋转式和静止式，旋转式结构简单，尺寸小，但如果转速较高其结构不稳定。

（三）单弹簧式与多弹簧式

单弹簧式即一个弹簧绕轴安装，较粗，耐腐蚀，但端面受力容易不均匀，轴径较小时影响不大。多弹簧式即沿密封圆周装有多个小弹簧，弹簧丝较细，耐腐蚀性差，端面受力均匀。

（四）单端面式与双端面式

通常机封只有一对摩擦环，即单端面密封。但如果对介质泄露率有严格要求，如介质有毒害性，可增加一对摩擦环，即为双端面密封。

（五）内装式与外装式

机封弹簧通常安装在介质内部，称为内装式。密封面可利用介质压力，同时利用介质进行冷却和润滑。但如果介质有强腐蚀性、粘度高或者容易结晶，则可选择将弹簧装在介质外的结构，即外装式机封，外装式便于观察和拆卸，但当介质压力过高时，可能顶开密封端面，出现强烈泄漏，因此外装式机封一般用于低压、强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。

二、密封的冲洗方案

密封在运转中产生摩檫功率，消耗的功率以热的形式散出。

长时间运行会导致密封面温度升高，增大磨损率，降低密封使用寿命。最好的办法是通过冲洗密封面来降温。

机械密封的冲洗方案有很多种，核电泵最常用的冲洗方案有以下几种。

1.Plan 11

冲洗液从泵出口到达密封，液流进入密封腔室中邻近密封面的地方，冲洗密封面，通过密封后返回进入泵中，这是大多数泵采用的方案，简单、方便、效果好。

2.Plan21

冲洗液从泵出口经过冷却器到达密封面，此方案用于温度稍高的介质，在给水泵密封、停堆泵密封中常用。

3.Plan31

冲洗液从泵出口经过悬液分离器将清洁介质输送到密封腔中，固体颗粒被送到泵吸入口。介质中固体颗粒较多时选用此种方案。

三、堆腔注水冷却泵的密封选型

华龙一号的堆腔注水冷却泵，是堆腔注水系统能动功能的主动设备，该泵为核电站新设备，是立式桶袋多级离心泵，设备设计参考了以往同类型泵设备（二代改进型核电站核二级安全壳喷淋泵及低压安注泵）的基础上，提高了介质温度。

堆腔注水冷却泵相关参数如下：

轴径：100m m

转速：1475r/m in

抽送介质：1.25%硼酸溶液或除盐水

运行温度范围：5～156℃

1.25%硼酸溶液介质里面最大固体颗粒<1ppm；

除盐水介质里面最大固体颗粒<0.1m g/kg；

吸入压力：0.05～1.2MPa（g）；

NPSHr≤1m；

NPSHa≥2.21m

介质最高压力1.2MPa，应选用平衡式机械密封。转速1475r/ m in，轴径100m m，线速度7.7m /s，可选用旋转式机封，但考虑到运行稳定性，静止式机封更佳。轴径中等，介质无强腐蚀性，颗粒浓度低，宜选用多弹簧式机封。介质无毒害，对泄露无严格要求，单端面密封可满足需求。中压，非强腐蚀易结晶介质采用内装式机封。因此结构形式应选用单端面平衡型静止式多弹簧内装机械密封。

密封冲洗方案根据介质情况：高温、杂质少，应选用PLAN21：

四、执行过程中出现的问题

（一）机封冷却器设计、制造资质问题

机封方案确定后，需配置冷却器，但设冷水系统属于核安全三级，冷却器作为压力边界也应按RCC-M3级设计、制造和检验。且设计、制造单位应具有相应资质。

如采用核级冷却器，国内具有制造资质的厂家都无设计资质，且无此产品供货经验。最终经过多方调研谈判，确定由两家分别具备设计、制造资质的设计院和制造厂进行合作研发。但由于首次制造，质量、进度和商务均存在风险。

（二）机封冷却水问题

随着设计深入，明确该泵所在楼层不提供冷却水，如机封带冷却器需从电机所在楼层引入冷却水，对布置和冷却水量将产生较大影响。建议采用耐高温机封。

耐高温机封主要难点在于动静环材料选择及端面处理技术，M310堆型中由于系统不提供冷却水，安注、安喷、上充泵都采用了耐高温机封，但介质最高温度只有120℃。唯一运行温度高于堆腔注水泵的余热泵（180℃）机封采用的是带换热器方案。因此前期项目并无成熟产品。后经调研发现K项目中压安注泵国内研发样机已通过鉴定，该泵介质温度160℃，且同样采用无冷却水耐高温机封。中压安注泵样机配套机封通过了高温耐久试验。最终确定选用耐高温机封，冲洗方案确定为PLAN11。

五、结语

华龙一号堆腔注水冷却泵的机械密封方案选择上，经过了很长时间讨论，尤其是冲洗方案的确定经过了反复斟酌，全面考虑了该泵的运行工况和布置方案后最终选用PLAN11耐高温型式密封。该泵机封方案选择上的反复也反应出一些问题，主要原因为新堆型、新设备技术输入存在不确定性，类似设备应可借鉴此泵经验确定机封方案。

参考文献：

[1]陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]化工部设备设计中心站.机械密封新结构图册[M].上海：上海科学技术出版社，1990.