重水堆装卸料机主轴密封失效原因分析及对策

江东飞

（中核霞浦核电有限公司维修处，福建宁德 355100）

0 引言

秦山三期重水堆的一大特点是不停堆换料，料仓组件是装卸料机系统的重要组成部分，用于临时贮存燃料、各类塞子和工具[1]。料仓主轴密封用来隔离料仓内的高压重水和料仓驱动齿轮箱内的润滑油。一旦主轴密封失效，会造成主轴驱动力矩增大，料仓无法正常工作；同时导致油水混合收集箱3523-TK103 重水外溢，造成重水泄漏，装卸料机无法正常换料，导致换料计划调整（图1）。如果能解决料仓主轴密封泄漏失效问题，对降低运行成本、减少维修工作量，确保装卸料机系统安全、稳定、经济运行，有着重要的意义。

图1 主轴密封泄漏导致重水外溢

1 料仓主轴密封基本结构及工作原理

1.1 料仓主轴密封基本结构介绍

料仓主轴密封主要由四大部分组成（图2）：①由静环和动环组成的一对密封端面，是主轴密封的核心；②以弹簧为主的补偿缓冲机构；③辅助密封机构；④传动机构。

图2 料仓主轴密封结构

1.2 料仓主轴密封工作原理介绍

装卸料机料仓主轴密封属于机械密封，机械密封亦称端面密封[2]。料仓主轴密封安装在旋转轴上，密封腔室中有螺钉、弹簧座、弹簧、动环、动环辅助密封圈等，它们跟随轴旋转，主轴密封的其他零件包括静环、静环辅助密封圈等，均安装在密封组件压盖之内，密封腔体与压盖用螺栓连接。轴通过螺钉、弹簧、弹簧座带动动环旋转，静环由于防转销的作用静止在压盖内。动环在弹簧弹力和流体压力作用下，与静环的端面紧紧贴合，且发生相对滑动，有效阻止了流体沿端面的径向泄漏，构成了主轴密封的主密封。摩擦副磨损后，在弹簧和密封介质压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密贴合。

2 料仓主轴密封失效原因分析及对策

料仓主轴机械密封结构主要是将易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。据不完全统计，机械密封的泄漏80%～90%是由于密封面摩擦副造成的，因此对动静环接触面的要求非常高。根据机械密封的结构和工作原理，机械密封发生失效的原因主要有以下5 个方面。

2.1 密封端面损伤造成的失效分析及对策

若密封端面损伤，则密封必然失效。密封面有异物是致使密封端面损伤的主要原因。异物颗粒进入摩擦副端面起研磨剂作用，使密封面发生剧烈磨损而失效。同时密封面的异物降低了密封端面的平整度，密封端面的平整度越低，则密封端面的实际承载面积越小[3]。

原先对动、静环端面采用目视检查，检查效果不理想。目前，在料仓主轴密封解体检修期间，采用光栅对拆下来的动、静环进行平整度检查，查询维修手册得知，要求密封端面平整度在1 道光栅范围内。如果平整度检查不合格，则需领取新备件进行更换。在组装动静环前，检查两密封端面无异物。目前该要求已经在维修规程中明确。

2.2 弹簧变形造成的失效分析及对策

动环密封端面通过密封盘安装在12 个弹簧上，弹簧变形会导致动环倾斜，进而导致两密封端面接触不均匀，出现“偏口”现象，产生局部磨损，使机械密封泄漏。因此，为了防止密封端面出现“偏口”现象，每次检修，都会测量弹簧的自由长度，根据国标要求，该型号的弹簧自由长度偏差在±0.5 mm 以内，目前该要求已经在维修规程中明确。

2.3 主轴密封受力故障分析及对策

料仓主轴密封的轴向力由定位螺钉承受，如果定位螺钉未拧紧，机械密封失去预紧力，低压下密封状态变差，泄漏率增大。

2015 年7 月，在轴机械密封检修过程中发现，固定机械密封动环铜套的定位螺钉未拧紧，使高压下挡圈承受机械密封轴向受力。在料仓旋转时，机械密封动、静环之间的摩擦力由挡圈承受，造成垫片和挡圈摩擦，该摩擦力使挡圈从卡槽中脱出，阻碍了料仓的旋转，造成料仓旋转失效。由于定位螺钉未拧紧，机械密封失去预紧力，低压下密封状态变差，泄漏率增大，泄漏出的重水从释放阀泄漏收集管线逆流到释放阀排放管线，形成重水泄漏。定位螺钉未拧紧是造成本次料仓主轴密封泄漏的直接原因。

目前，维修规程中已明确该步骤：“在定位螺钉孔处做标记，按照标记对角拧紧定位螺钉，将衬套固定在料仓主轴上。”同时该步骤增加了独立验证，确保定位螺钉已拧紧到位。

2.4 辅助密封圈失效分析及对策

动环辅助密封圈有效阻止了流体经过动环与轴间隙的泄漏，静环辅助密封圈有效阻止了流体沿静环与端盖间隙的泄漏。运行时，辅助密封圈没有很明显的相对运动，基本属于静密封。如果辅助密封圈失效，装卸料机的重水会沿着主轴密封端盖间的间隙泄漏。辅助密封圈失效形式主要有密封圈挤压破坏和密封圈物理破坏等。

2.4.1 辅助密封圈挤压破坏

密封圈密封属于弹性挤压密封的一种，是通过密封环提前被挤压产生的弹性变形形成的预紧力，同时密封环也被工作介质压力挤压，产生自紧力，即弹性挤压密封属于自紧密封。因此要保持密封，需要密封圈有足够的预压缩率；如果预压缩率太大，可能会影响密封圈的工作寿命，因此密封圈的材料和密封圈与密封圈槽尺寸的匹配是延长密封圈使用寿命的必要条件。

2.4.1.1 辅助密封圈材料问题

密封圈在密封槽内是保证密封的首要条件，如果密封圈跑出密封圈槽外，密封圈会在介质压力的作用下造成挤压失效。在1#装卸料机料仓主轴密封泄漏原因调查时，发现动环支撑环被挤碎。该密封圈材料为石墨，受到挤压后容易被损坏。由于石墨的支撑环被挤破后，动环O 形圈会被挤压到动环与轴套的间隙中，长此以往，在介质压力作用下，最终导致动环O 形圈被挤压剥落，造成密封失效。

为了有效防止动环O 形圈被挤破，变更动环支撑环材料，选择不锈钢材料替代原来的石墨材料。

2.4.1.2 辅助密封圈外径与密封圈槽尺寸不匹配

原来的支撑环是石墨材料，具有可压缩性，因此其外径偏小。如果使用同样外径的不锈钢支撑环，由于外径偏小，且不锈钢材料不具有可压缩性，在介质压力作用下，最终同样会导致动环O 形圈被挤压剥落。因此使用不锈钢支撑环需根据密封圈选型标准来选择。根据密封圈选型公式：

式中 D1——安装槽的外径，mm

D——密封圈外径，mm

δ——密封圈过盈量，mm，推荐值见表1

d2——密封圈横截面直径，mm

已知横截面直径为3.5 mm，安装槽外径为79.30 mm，因为静环内径为85.50 mm，查询表1 可知密封圈的过盈量δ 取1.0 mm，将已知数据带入公式D1=D+δ-2d2，可得密封圈外径D=85.30 mm。

表1 基本尺寸与过盈量关系推荐值 mm

目前，已制定了不锈钢支撑环备件外径的标准为85.30±0.03 mm，并根据这个标准修改了备件主数据，按照这个主数据采购新的备件。

2.4.2 辅助密封圈物理破坏

密封圈安装过程中出现损坏的主要原因是密封沟槽处有毛刺、尖角，安装时没有涂抹润滑剂，从而使密封圈被尖锐的刃口切伤，发生扭曲或卡住，表面产生凹或凸痕、起皮或剥落现象。

解决方法是，在安装密封圈前检查密封沟槽处没有毛刺、尖角，若有则进行打磨；检查密封圈本身是否存在裂痕，安装前使用润滑剂涂抹密封圈。目前该要求已经在维修规程中明确。

2.5 组装质量问题

机械密封是一种精密部件，对装配质量有很高的要求，如果组装时不注意，同样会损伤机械密封。经过清洗检查、尺寸校核后的机械密封便可组装，在组装过程中要注意以下3 个方面。

（1）为了避免损坏辅助密封圈，组装时需要将所有辅助密封圈涂抹合适的润滑剂。为了确保辅助密封圈安装到位，需要先安装辅助密封圈，再安装主轴。

（2）为了防止动静环密封面在试验前可能磨损，在动静环的密封面保持一层水膜。

（3）在组装动环时，注意不能碰倒动环的弹簧，以免影响动环的浮动性能。动环组装完成后，可以轻按一下动环以确保动环具有良好的浮动性能。

3 结论

阐述装卸料机料仓主轴密封的结构、工作原理，结合现场实际情况，查找、分析可能影响料仓主轴密封泄漏率的原因，归纳出泄漏超标原因和应对方法。对处理缺陷过程中的经验及时总结，形成维修方案，供缺陷处理时参考，提高了缺陷定位、处理的速度。通过相关密封性材料的变更或替代，有效降低了装卸料机料仓主轴密封泄漏超标的次数，提高了设备可靠性，同时减少了工作人员辐射剂量，进而保证了燃料操作系统安全可靠运行。