一种新型水泵轴封的失效分析与改进优化

霍伟奇

（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

采用CPR1000 压水堆型的核电厂，单台机组的循环冷却水流量可以达到每小时18 万吨左右，循环水泵基本采用单机双泵配置，且未设置备用，属于典型的单级重载立式离心泵。

由于循环水泵的介质为海水，运行工况较为恶劣，若轴封失效将导致海水介质上窜，导致淹没泵壳或进入轴承室等，严重影响循环水泵的正常运行，进而使得机组功率出现非计划减载，甚至被迫停机停堆，因此对于水泵轴封的可靠性有较高的要求。目前技术较为成熟的轴封形式为盘根密封、机械密封等，但以上两种密封均无法对运行的轴封进行实时的状态监测。

因此，某些核电厂的循环水泵采用了IHC 公司生产的新型唇形密封，其主要的优点为可通过对轴封溢流量的量化监测，判断轴封的运行状态。当轴封溢流量达到初始20%时，轴封状态将达到失效状态，从而使设备获得最经济有效的维护。

1 轴封结构介绍

密封组件由3 个L 形单元组成，分别为阻垢单元、减压单元和密封单元。

（1）阻垢单元：安装在套件最下方，由1 道带有弹簧的唇形密封及带有特殊截面形状的螺旋凹槽的衬套组成，其可以避免污垢（如海水中的泥沙）进入减压单元。

（2）减压单元：安装在套件中间，由1 道带有弹簧的唇形密封及带有特殊截面形状的螺旋凹槽的衬套组成，其承担压力载荷，运转时少量连续液体经过轴套上特殊的凹槽流过唇封的工作表面，为其提供润滑、冷却和冲洗。

（3）密封单元：安装在套件最上方，由1 道带有弹簧的唇形密封及无凹槽的衬套组成，阻止冲洗水泄漏到环境中，大部分情况下其工作在无压环境中。

2 轴封工作原理

IHC 密封属于轴封中的水润滑的特种唇封：在密封唇中埋入金属骨架，使用螺旋箍簧进行预紧，在轴套表面的喷涂层上开有凹槽，减压单元和阻垢单元对称布置，凹槽截面形状为不等边的钝角三角形，以螺旋方式缠绕在轴套上，轴套上的螺旋状凹槽在圆周速度作用下使水流经凹槽和唇形密封之间。轴封工作原理如图1 所示。

图1 轴封工作原理

在此过程中，由于凹槽的存在，水沿圆周方向产生流体动压效应，导致液膜局部压力升高，将唇封“撑”开，使唇封内表面与轴套外表面完全分开，此时膜压力与唇封外侧的冲洗水压力和弹簧力达到平衡，唇封在此膜厚下进入稳定工作的状态。

螺旋凹槽除可产生流体动压外，同时具有泵送作用，可根据凹槽旋向和泵轴旋向将密封一侧的液体泵送至另一侧，另一侧液体泵送回同侧，产生一定的回流，增加密封效果。

3 轴封冲洗水设置及作用

轴封组件设置有3 个接口，分别为冲洗水进水口、冲洗水溢流口和疏水口。冲洗水主要作用为轴封提供润滑、冷却和冲洗，对其有两个基本要求：①冲洗水压力不能低于泵腔压力，但不能超过唇封的承载能力；②要求冲洗水颗粒度应足够小且必须达到一定流量，这样才能保证3 个单元的正常工作。

4 轴封冲洗水压力低对寿命的影响

注入冲洗水压力降低至某一定值时，被密封的海水介质将通过阻垢单元进入注入水密封腔，这将导致阻垢单元密封面由海水润滑。因海水中含大量颗粒杂质，阻垢单元会短时快速磨损，流量随之减小。但当其完全磨损后，流量会突然增大，大量海水上冲至注入水密封腔，导致密封完全失效，故冲洗水压力低将直接影响轴封组件的寿命。

结合上述理论分析，原设计上对轴封冲洗水压力设置了压力低跳泵信号，以保护轴封组件的可靠性。在实际运行过程中，由于冲洗水是由公用供水系统提供，该系统的设计可靠性较差，多次出现因轴封冲洗水供水压力不足和波动，导致循环水泵跳泵，进而导致机组出现停机停堆的重大事件，严重影响核电厂的经济效益。

因此，在上述分析内容基础上，将通过计算，对比长期运行跟踪数据，量化分析轴封冲洗水压力低对轴封寿命产生的影响。

为方便分析计算，对模型的简化与等效假设如下：①轴封在全流体润滑条件下，产生的液膜是连续的；②由于液膜厚度（微米级）远小于半径方向的长度，故以平面模型代替圆周模型；③冲洗水流量大，温升较小，忽略温升导致的零部件热膨胀对液膜厚度的影响；④凹槽均布，周期内压力分布完全相同，取1 个周期进行计算。

基本参数：入口压力0.7 MPa，出口压力0，螺旋升角15°，凹槽数量6，周期角度60°，半径250 mm，唇封轴向长度26 mm，转速180 r/min，几何模型如图2 所示。

图2 几何模型

经过计算后压力分布如图3 所示，可见流体在槽区产生了动压效应，使唇和轴套完全脱离，减少轴封运转时的发热量和磨损，提高了轴封的使用寿命。

图3 平面压力分布

速度矢量分布如图4 所示，可以看到在此压差下，冲洗水均流向回水管线侧，计算流量约为220 L/h，与现场实际流量对比，误差在5%之内，该模型可靠。

图4 速度矢量分布

根据现场2015 年的典型设备溢流量监测数据，做出随时间变化的散点图，并同时对比计算数据进行拟合，趋势基本一致，如图5 中散点位置。进而对计算数据进行指数拟合并前推，从而分析出冲洗水压力低对轴封寿命的影响。

从图5 可以看出，根据目前现场数据推测出MTBM（Mean Time between Maintenance，平均维修间隔时间）时间点为2017 年10 月，而冲洗水压力低的工况下MTBM 时间点将提前到2016 年2 月，寿命缩短了14 个月。可以算出在冲洗水压力低工况下，MTBM 值将缩短为正常工况下的1/4，相当于轴封每在冲洗水压力低工况下运转1 h 将导致其寿命至少缩短3 h，寿命缩减的时间是运行时间的3 倍。

图5 轴封寿命失效预测曲线

值得注意的是，以上结论都基于假设条件：在不同的冲洗水压力下，经过相同的运转时，其磨损情况是相同的。且海水中颗粒的影响也由于无法估算而选择忽略，但实际上冲洗水压力低时正常磨损与颗粒磨损都必然加剧，故上文中寿命缩减的时间与运行时间的比率将远大于计算值。

因此，当轴封在冲洗水压力低工况下工作时，考虑实际情况并取一定安全系数，寿命缩减的时间与运行时间的比率至少应在6 倍以上。

5 结语

考虑到IHC 设计的MTBM 值为60 个月，所以当出现轴封供水压力低异常后，其寿命将缩短至10～20 个月，若辅以加强监测的管理措施，基本可满足设备在最近的大修活动中进行处理。基于以上量化分析和论证，取消轴封水供水压力低导致循环水泵跳闸的设备保护信号是可行的，从而避免核电机组由此产生非计划性的能量损失与机组瞬态，保障机组运行稳定可靠。