核主泵流体动压轴封副密封摩擦特性与寿命的试验方案研究_丛国辉.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0172-05;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0172核主泵流体动压轴封副密封摩擦特性与寿命的试验方案研究丛国辉，张翊勋，段远刚中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东深圳，518124摘要：副密封处的摩擦性能与寿命是影响核主泵流体动压轴封寿命的关键因素，为了研究副密封处的长期运行寿命，建立了高频往复试验装置，以模拟副密封处在高压介质条件下的往复运动，获取了副密封处O 型橡胶密封圈与对偶金属件在频率提高、位移幅值增加和介质压力提高 3 种工况下的摩擦力变化数据，结果表明：核主泵流体动压轴封副密封在正常运行工况频率为 25 Hz、幅值约为 30 m 及介质压力为 5.3 MPa时处于微动弹变状态；基于正常运行工况提高频率，在不超过 300 Hz 时副密封处的摩擦特性基本不会改变，但超过 500 Hz 时摩擦特性会明显变化；基于正常运行工况增加幅值和提高介质压力，副密封处的摩擦特性也基本维持不变。可见，在 300 Hz 以下提高频率对副密封寿命的影响可按线性增加考虑，能有效降低寿命验证时间。关键词：核主泵；流体动压轴封；副密封；寿命中图分类号：TL334文献标志码：AStudy on Test Scheme for Friction Properties and Service Lifeof Secondary Seal of Reactor Coolant PumpHydrodynamic Shaft SealCong Guohui,Zhang Yixun,Duan YuangangState Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong,518124,ChinaAbstract:The friction properties and service life of the secondary seal are the key factorsaffecting the service life of the hydrodynamic shaft seal of the reactor coolant pump.In order tostudy the long-term service life of the secondary seal,a high-frequency reciprocating test device isestablished to simulate the reciprocating motion of the secondary seal under the high pressuremedium condition,and the friction change data of the O-shaped rubber sealing ring and dual metalparts of the secondary seal under three working conditions of increasing frequency,increasingdisplacement amplitude and increasing medium pressure are obtained.The results show that thesecondary seal of hydrodynamic shaft seal of the reactor coolant pump is in a fretting friction stateunder the normal operating condition frequency of 25 Hz,amplitude of about 30 m and mediumpressure of 5.3 MPa.The friction properties of the secondary seal will remain basically unchangedwhen the frequency is increased to a level no higher than 300 Hz under the normal operatingconditions,but the friction properties will change significantly when the frequency is increased to alevel higher than 500 Hz.The friction properties of the secondary seal will remain basicallyunchanged when the amplitude or the fluid pressure is increased under the normal operating 收稿日期：2022-05-26；修回日期：2023-02-20基金项目：国家重点研发计划（2018YFB2000800）作者简介：丛国辉（1979），男，正高级工程师，主要从事核电厂泵阀设计及研发工作，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023conditions.It can be seen that the effect of increasing the frequency to a level below 300 Hz on theservice life of secondary seal can be considered as linear increase,which can effectively reduce theservice life verification time.Key words:Reactor coolant pump,Hydrodynamic shaft seal,Secondary seal,Service life 0 引言核主泵上采用的流体动压轴封，一般由 3 级完全相同的密封串联而成，每级密封承受约 1/3的核电厂一回路压力1。密封静环上设计有动压槽型，在动环旋转时形成流体动压效应，使密封面达到非接触状态。泵轴偏摆以及密封制造安装导致的偏斜，会在动静环轴线之间产生角度偏差，使静环及副密封在泵轴旋转时做周期性的高频往复运动2。流体动压轴封的副密封采用的是 O 型橡胶密封圈（简称 O 型圈）配合挡圈的结构，其中 O型圈靠压缩后的回弹保证密封性，挡圈是防止 O型圈在高压下挤出失效。压缩后的 O 型圈虽然保证了副密封处的密封性，但其产生的摩擦力会对副密封的往复运动产生阻尼，从而影响静环随动性，严重时会导致动静环之间的密封面磨损大漏或动静环接触失效。根据运行经验反馈，由于副密封处的高频往复微动状态，其磨损已取代动静环密封面磨损成为制约寿命的关键因素3-4。刘莹等利用摩擦磨损试验机开展了三元乙丙橡胶材料试样与其金属对偶件摩擦系数和表面形貌的试验研究5；郑金鹏对丁腈橡胶 O 型圈配对不锈钢的摩擦磨损性能进行了试样对偶研究6。陈侃等通过流体动压轴封耐久试验后的金属件表面粗糙度来预测寿命4；杨全超等利用微动试验台架在施加介质压力的情况下研究了副密封低频往复运动和位移幅值对摩擦力影响规律，并对副密封高频往复运动的影响规律进行了推测3。白少先等对干气密封的副密封 O 型圈在低压力下的微动摩擦特性进行了研究7。可见，对于核主泵流体动压轴封副密封处的寿命试验研究还没有可行的方式。已开展的研究中采用试样与对偶开展摩擦磨损试验的方式，无法模拟 O 型圈结构特点及其在高压介质下的变形；采用 11 的流体动压轴封试验台架则无法保守模拟往复运动幅值和加速效应；而采用往复微动试验台架真实模拟 O 型圈及其介质加压情况，具备较好的可参照性，但目前已开展的试验达不到实际工况下的高往复频率，加速寿命试验更是无从谈起。本研究建立了高频微动试验装置，对流体动压轴封副密封处在高频微动状态下的摩擦力及对偶件的磨损情况进行研究，探索通过高频微动试验进行加速寿命试验的可行性，为后续通过相对短的试验时间预测核主泵流体动压轴封副密封处的寿命问题积累经验。1 试验部分 1.1 试验装置高频微动试验装置结构如图 1 所示，由弹簧座模拟件、静环座模拟件、测力传感器和电磁振动台等组成。在弹簧座模拟件和静环座模拟件之间的上部和下部分别安装有 O 型圈和挡圈组成的副密封试验件，在 2 个试验件之间提供循环水，模拟高压大直径动压轴封副密封处的介质压力和温度条件。振动台中的高频电磁驱动设备带动弹簧座模拟件往复运动，模拟副密封处轴向和角向移动所产生的微米级往复运动。往复运动的频率范围为 55000 Hz、最大位移范围为8 mm、介质的压力最高可达 16 MPa。由于该试验装置主要用于寿命试验，对于单个或多个往复运动根据采样仪表 1 s 内最多记录 24 组数据，每组数据只取该段时间内的最大摩擦力，摩擦力测量精度为 0.002 N。另外，该试验装置不研究每个往复 图 1 高频微动试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of High Frequency Fretting TestDevice丛国辉等：核主泵流体动压轴封副密封摩擦特性与寿命的试验方案研究173 周期内的摩擦力特性，因此并没有设置位移传感器，位移值在试验初始化时直接设定。1.2 试验件试验件为 O 型圈和挡圈组成的副密封组件，O 型圈材料为耐高温的改性三元乙丙橡胶材料，内径为 35.5 mm，线径为 5.33 mm；挡圈材料为改性聚四氟乙烯材料，内径为 35.68 mm，O 型圈压缩率为 11%。O 型圈的内径并没有采用真实值，但线径和压缩率均与真实值相同，对于单位周长的 O 型圈摩擦力（F），内径差别并无影响，可通过缩小内径的试验结果外推到真实内径。1.3 试验方案核主泵流体动压轴封正常运行期间，介质压力为 5.3 MPa，同步转速为 1500 r/min，温度范围控制在 4050，试验过程中由于摩擦生热，会导致介质水温不断升高，采用直接在水源处注入冷水方式控制温度。副密封处往复运动的频率为泵轴转频 25 Hz8，幅值可通过下式进行计算9：S=rIDbrI式中，S 为往复运动幅值，m；为动环初始偏角，104 rad；Db为平衡直径，mm。对于某核主泵流体动压轴封，计算得到的往复运动幅值约为 30 m。根据上述核主泵流体动压轴封的运行工况和高频电磁驱动设备的能力制定试验方案，试验参数见表 1。试验步骤为：通过往复周期内的摩擦力试验获取副密封处在不同幅值和介质压力下的摩擦力特性，以判断 O 型圈的摩擦状态；通过压力变化试验获取压力对正常工况幅值和频率下的摩擦力影响；通过不同幅值对应的高频往复运动获取摩擦力变化和对偶金属件的表面状态情况。表 1 副密封往复运动试验方案Tab.1 Reciprocating Motion Test Scheme of Secondary Seal名称频率/Hz幅值/m压力/MPa频率影响试验25/100/300/500305.3幅值影响试验2530/50/100/2005.3压力影响试验25302.5/5.3/7.0/12.5/15.5 2 影响因素分析 2.1 O 型圈摩擦状态分析根据刘莹等5对于三元乙丙橡胶 O 型圈在不同往复运动幅值下的滑动状态试验研究，以及杨全超等3对水介质状态下 O 型圈的摩擦力和位移关系的研究，O 型圈在相对位移低于 0.25 mm 情况下基本处于弹性变形范围，以黏着状态为主，摩擦力的大小与相对位移正相关。图