核反应堆热电偶机械密封泄漏原因分析及优化措施

陆少威，聂文哲，何子健，何少华，戚宏昶

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

热电偶组件由热电偶导管、热电偶集束管、热电偶机械密封等组成，位于顶盖球冠部位，属于反应堆一回路压力边界最薄弱的环节之一，其可靠性直接影响核电厂一回路的严密性和安全性。机组运行期间，热电偶机械密封承载着一回路硼酸水高温、高压、高辐射、水流冲击的作用，压力边界一旦泄漏将导致停机停堆、退状态等不可逆的严重后果。

1 泄漏情况介绍

国内某机组换料大修启机阶段，一回路系统到达2.5 MPa查漏时，机械密封无泄漏，复测螺栓预紧力矩并检查防松锁紧形式均正常。当系统压力达到7 MPa时，再次查漏发现其中一组机械密封存在微量渗漏。增加起重螺栓力矩后渗漏情况消除。保守决策，机组大修模式退状态，重新安装热电偶机械密封。该热电偶机械密封自机组商运后未进行过变更改造，本次大修热电偶安装只更换了碟型垫片，其他备件均无更换记录。

2 热电偶机械密封泄漏原因分析

2.1 密封结构介绍

热电偶机械密封采用碟型垫片(CONOSEAL)和锥型垫片(GRAYLOC)的组合密封结构，该结构具有结构紧凑、密封可靠等优点，如图1。

图1 一种典型的压水堆核电机组热电偶结构示意图Fig.1 A typical schematic ofthe thermocouple structure of PWR nuclear power plant

2.2 原因分析

从设备结构角度出发， GRAYLOC密封结构简单、密封可靠。CONOSEAL密封结构由于预紧力矩较小、集束管易倾斜等原因，相对GRAYLOC密封结构更容易发生泄漏。从现场可知，本案例机械密封GRAYLOC结构处无泄漏， CONOSEAL密封结构处存在微量渗漏。以下针对CONOSEAL密封结构进行原因分析：

(1)设计缺陷可能性分析

设计缺陷会导致密封失效，通常发生在首次安装或在安装后的一个运行周期内，如零部件的尺寸设计不合理、粗糙度设置不合理、材料选择不合理、紧固件预紧力矩计算偏差等。本案例热电偶机械密封未进行过变更改造，基本排除设计缺陷导致密封泄漏的可能。

(2)备件缺陷可能性分析

碟型垫片是密封安装的必换件，本案例安装时仅更换碟型垫片，在一回路系统到达2.5 MPa查漏时，热电偶机械密封也无泄漏情况；事后检查垫片表面密封线连贯完好，没有发现明显缺陷，可以排除备件缺陷导致密封失效的可能。

(3)异物可能性分析

密封面上存在异物可能导致密封失效。但现场密封垫密封线连贯、完整，可以排除密封面上存在异物导致密封失效的可能。

零部件安装贴合面若存在异物，将影响机械部件配合精度和均匀程度，导致密封比压不均匀造成密封失效，零部件贴合面存在异物有可能导致密封失效。

(4)密封面损伤可能性分析

零部件在拆装、清洗、转运过程中，存在损伤密封面导致密封失效的可能。特别是径向微小划痕，易发生间隙腐蚀，随着时间的推移腐蚀加剧，也可能导致密封泄漏。另外，系统可能引入微量Cl-离子等容易吸附在不锈钢表面破坏密封面，导致密封失效。

现场查看零部件密封面均未发现缺陷，可排除密封面损伤造成密封失效的可能。

(5)零部件磕碰损伤可能性分析

人员意外磕碰或损坏零部件，可能改变零部件之间的配合尺寸，导致密封比压不均匀造成密封失效。现场检查，未发现磕碰痕迹，则可以排除零部件磕碰导致密封失效的可能。

(6)零部件装反可能性分析

安装过程中，蝶形垫片最易装反，垫片必须开口向上，否则易造成密封失效。现场检查发现零部件均未装反，所以排除零部件装反的可能性。

(7)实际预紧力矩偏差可能性分析

任何垫片具有一定弹性和塑性。当预紧力矩偏大，垫片上的载荷超过一定范围时，除发生弹性变形外还会产生塑性变形，此时垫片回弹补偿能力降低。在一回路系统压力下行阶段，容易产生泄漏情况。如果现场预紧力矩偏小，不能提供足够的密封比压，容易在升压阶段造成密封失效，存在预紧力矩偏小导致在系统升压阶段泄漏的可能性。

(8)预紧力矩损失过大可能性分析

螺纹副、零部件摩擦面间存在摩擦力等因素，将导致预紧力矩损失。螺纹或接触面润滑不足、表面粗糙、存在缺陷等情况，造成预紧力矩损失过大，易导致密封失效。

(9)密封比压不均匀可能性分析

预紧力矩差异大、垫片放置偏斜或坐偏、零部件装配接触面存在异物、集束管偏斜时，将直接或间接导致密封比压不均匀，导致密封泄漏。案例碟型垫片密封线虽连贯完好，但是无法分辨其均匀程度，所以密封比压不均匀可能导致密封失效或对密封失效有影响。

(10)防松失效可能性分析

热电偶机械密封螺栓防松钢丝绳锁紧方向错误将导致密封失效。经现场查看，案例现场防松形式和钢丝绳方向均正确，所以排除防松失效导致密封失效的可能性。

2.3 原因分析小结

本章对CONOSEAL密封结构泄漏原因从设计、备件、异物、密封面、预紧力矩、人因失误等角度进行了分析排查，最终确定“异物”“预紧力矩偏小”“预紧力矩损失过大”“密封比压不均匀”四个原因可能导致密封失效，如图2所示。

图2 密封失效原因分析Fig.2 The cause analysis of seal failure

3 热电偶机械密封安装优化措施

热电偶机械密封安装质量直接影响电厂核安全性及经济效益。通过原因分析和风险识别，我们应采取相应的措施及对策，保证热电偶机械密封的安装质量。

(1)新设计首次应用前必须充分评估论证

在新技术或新设备首次应用前必须对材料、尺寸、技术要求、预紧力矩等方面进行充分的评估论证。

(2)持续关注介质对设备的腐蚀情况

如果遇泄漏必须仔细清理顶盖和设备上的硼酸水或硼结晶，避免其对压力容器顶盖等设备造成任何腐蚀。每次大修都需目视检查，确保压力容器顶盖等设备的良好状态。

对于和主系统介质接触的热电偶零部件需要持续关注介质对设备的腐蚀情况，必要时进行更换。由于阴法兰焊接在顶盖上，其更换的成本巨大，我们应该特别关注和保护。

(3)新备件使用前必须检查复验

新备件的制造必须根据上游文件严格控制。密封备件虽有互换性，但是使用前必须对关键尺寸、密封面情况、表面粗糙度、相关文件材料等进行仔细检查、复核和验证。

(4)做好零部件清洗及异物控制

必须重视零部件的清洁度和异物控制。热电偶机械密封安装前需使用绸布、丙酮或酒精等对零部件进行清洗并检查。

(5)增加密封面保护、零部件防磕碰措施

零部件和密封面防磕碰保护除了人员在操作过程中，必须特别关注以外，还可以制作专用工装进行保护，具体如下：1)设计制作热电偶零部件转运箱；2)设计制作Swagelok接头组专用量规；3)设计制作阴法兰密封面保护盖板；4)蝶型垫片取出工具；5)做好螺纹或接触面润滑，减少力矩损失和咬死风险。

(6)做好螺纹或接触面润滑，减少力矩损失和咬死风险

热电偶机械密封安装前需在螺纹副、零部件相对摩擦面、密封面等部位涂抹防咬剂。

(7)提高密封预紧的均匀性

开发热电偶机械密封安装专用工具，保证设备安装的均匀程度。

(8)严格控制安装关键点

1)每组机械密封零部件通常单独存放，且对应安装在特定位置。

2)碟型垫片安装时必须碗口朝上，作为现场质量见证点进行独立的现场见证。

3)在安装前，需检查集束管偏斜情况，必要时需要人工扶正再进行后续安装步骤。

4)螺栓预紧必须均匀，防止密封垫压偏、移位或受压不均。按技术要求严格控制力矩值。

5)HALF夹具单侧间隙不得贴死，否则容易导致密封比压不均，造成密封失效。

6)主系统严密性试验时，需要对预紧力矩和安装间隙进行复测并确认预紧力矩和安装间隙满足技术要求。同时，对紧固件进行防松锁紧(Z字型)。

(9)设计制作热电偶机械密封模拟体

设计制作热电偶机械密封模拟体可在日常进行操作培训，有助于提高维修人员的操作技能和熟练度，减少人因失误的风险。

(10)优化措施小结

通过密封泄漏的原因分析，结合热电偶机械密封安装过程中的风险识别，制定措施及对策，见图3。

图3 热电偶机械密封安装优化措施Fig.3 Optimization measures of thermocouple mechanical seal installation

4 结束语

本文对某核电机组热电偶机械密封泄漏缺陷进行分析排查，找出可能导致密封失效的原因，结合安装过程中可能导致密封失效的风险点，采取相应的措施和对策。经优化改进后，秦山核电基地没有出现过热电偶密封失效情况，保证了电厂的核安全性及经济效益。

目前，AP1000和“华龙一号”等先进堆型已经采用新型热电偶机械密封结构，在实现可靠密封的同时拆装更加便捷，如Quickloc密封结构等。当今世界各领域技术井喷式发展，随着电厂对设备安全、经济效益、辐射剂量优化等方面的逐渐重视，未来还需要开发更可靠、更加捷的密封结构，为电厂卓越绩效做出贡献！