核电厂主给水泵机械密封失效分析及改进_田涛.pdf

书书书2023 年第 1 期核电厂主给水泵机械密封失效分析及改进田涛徐强江腊涛（福建福清核电有限公司，福建福清350318）摘要：以实际工作中遇到的主给水泵机械密封失效问题着手，从机械密封的冷却水设计流量、机械密封冷却水过滤器的选型、机械密封换热器的安装位置、转子定位以及机械密封辅助密封圈的选择几个方面逐一分析对机械密封失效的影响，从而确定了失效的主要原因是机械密封静环座辅助密封圈在轴向微动时摩擦力增加，辅助密封圈轴向微动时被“挂”在静环座上，使静环补偿能力变差；再叠加机械密封冷却水过滤器选型不当，加速了机械密封磨损失效，并针对上述问题进行了相关改进。关键词：核电厂用泵主给水泵机械密封失效中图分类号：311文献标识码：某核电厂每台机组配备 3 台 50 2 的主给水泵（），每台主给水泵均由一台前置泵及压力级泵组成，结构均为单级双吸泵。其压力级泵的设计工况点为：额定扬程 574.7，额定流量 3620.43，额定转速 4805 。主给水泵作为核电站常规岛最为重要的泵组，承担着一回路与二回路热量转换的重要功能。每台 泵组压力级泵的驱动端与非驱动端机械密封均为德国伯格曼供货，型号为 1147 1 1。密封动环设置了螺旋泵送环结构，在密封旋转时，可以实现冷却液内部循环，结构如图 1 所示，通过热交换器将机封密封腔内的热量传递给闭式冷却水，达到密封端面降温的目的。设置两路过滤器将介质中的杂质进行过滤，对密封起到保护作用。图 1主给水泵机械密封结构图1故障简介上述型号的机械密封在某核电厂 4 号机组4102 运行过程中突然失效，导致介质大量泄漏，详细情况如下文所述。2020 年9 月18 日14：10：15，4 号机组4105（4102 压力级泵非驱动端机械密封腔室温度）稳定在 59.9，在随后的 1 内，该温度陡升至73.1，随后17 内温度降低并在50 60 之间波动；14：30：20，4105 温度突然升高至 91.3，现场检查机封泄漏量交替出现滴漏及满管流情况；2 后温度降低到60 70 之间波动，机封泄漏量为喷射状态，随着泵腔内的水注入机械密封腔室，最终4105 温度为156.4。对磨损的机封解体检查，主要异常有：（1）动环（石墨环）已完全磨平，磨损高度超过 3 （新 动 环 部 件 的 密 封 高 度 标 准 3.1 3.2），密封宽度由标准的 6.5 增加至磨平后的 15.2；（2）浮动环（静环）辅助密封圈（）有溶胀现象，由原始标准尺寸 164.4 5.33 胀大至 175 5.6；（3）密封轴套、静环座及弹簧座上均有油类物质，经过化验为矿物油；（4）静环座与辅助密封圈接触位置存在磨痕。922023 年第 1 期调取该机封失效前半年的运行温度参数进行分析，发现在机封失效前两个月已经开始频繁出现机封温度高的情况，且机封泄漏液伴有黑色物质流出，但因机组状态限制，仅通过定期清洗机封冷却水管路上的磁性过滤器进行缓解。2故障原因分析根据现场机械密封解体检查情况分析，存在以下几种原因可能导致机封磨损：（1）机封冷却水设计流量不足，导致密封端面液膜汽化；（2）机封冷却水过滤器堵塞，导致冷却水流量降低；（3）换热器的安装高度异常，影响冷却水的换热效率；（4）转子的轴向定位异常，导致机封过压缩被磨损；（5）静环座 形圈溶胀，阻碍静环座的轴向微动补偿。从上述几个可能原因进行分析，查找机封磨损的根本原因，如下文所述。2.1机封冷却水设计流量分析1147 1 1 型机械密封的基本参数如表 1 所示。根据表 1 中参数，计算该型机械密封的平衡系数：（1）式中，为载荷面积，4（22 2）2262.1 2；为密封端面面积，4（22 21）3478.5 2。得出：0.65。表 11147 1 1 型机封参数参数名称数值密封压力 3.5转速 （）4500密封端面外径 2 176.93密封端面内径 1 163.93密封直径 168.59弹簧个数 116弹簧工作压力 38弹簧比压：1 38 163478.50.175。计算密封面的端面比压：（）0.7 式中，为液膜压力系数，取值 0.51。密封面的平均转速：26000039.4 摩擦功率计算：9.59 泵腔内高温介质导热2：2 式中，为材料特性系数；为传热面积（2）；为密封直径（）；为泵腔温度与密封腔温度之差（）。其中 和 的计算和测量比较复杂，根据 682，取 0.00025；根据经验，泵腔温度与密封腔温度之差取 110，则有：20.00025 168.59 110 4.64 机封冷却水量：式中，为冷却水密度，取 1000 3；为冷却水比热容，4200 ；为冷却水温升。取 20，保 证 机 封 温 度 不 超 过 60（682中说明当水温达到 80 时，其粘度降低，润滑性能变差，会导致严重的端面磨损，经过试验研究证明，把密封端面的冷却液温度控制在 60 以内有利于密封端面的润滑）。将已知参数代入公式得机封冷却水需求流量：60000 9.59 4.641000 4200 2010.16 机封动环座上的螺旋槽结构主要起泵效轮的功能，是机封冷却水循环系统的动力。通过实际试验验证，该型机封的泵效轮流量与转速的关系如图 2所示。由于试验台架转速限制，只能达到 4200 ，无法达到实际的工作转速 4500 ，因此将曲线进行线性二次拟合后得出该泵效轮转速与实际流量的关系为：实际7 10720.0033 3.1475转速为 4500 时，实际 35.66 ，与机封密封腔冷却所需流量相比，在理论上机封冷032023 年第 1 期图 2泵效轮转速与流量曲线却水量能够满足需求。因此，可排除机封冷却水设计流量不足导致机封端面磨损这一可能原因。2.2机封冷却水过滤器堵塞分析机封冷却水冲洗管若存在堵塞，将导致机封冷却水流量降低、机封端面温度升高、液膜减薄、密封端面润滑状态变差；当温度升高使密封面润滑液汽化时，密封端面直接变成干摩擦，加速密封环的磨损。历次出现机封温度高时均伴随过滤器堵塞，因此过滤器选型是否合适对机封冷却水流量影响较大。通过校核计算判断过滤器选型是否合适。校核计算冷却水管路上 型过滤器（见图3）的通流面积：1）过滤器进口面积计算经过测量，过滤器入口管道直径为 14；过滤器进口面积为 153.89 2。2）过滤器有效过滤面积计算过滤器外侧的冲孔网板展开后为一块长方形孔板，如图 4 所示。过滤器有效过滤面积应为中间有网孔的部分，其面积约为：56 65 3640 2。图 3 型过滤器图 4过滤器冲孔板展开图3）过滤器水阻系数计算过滤器的水阻系数分为冲孔网板和滤布，计算如下：冲孔网板水阻系数 冲孔圆面积 相邻 4 个圆中心组成的菱形面积 0.376；滤布水阻系数 250 目滤布孔径 相邻 4 个孔中心组成的矩形面积 0.12。注：经过测量，目前使用过滤器的精度为 200300 目，未达到原设计要求的 400 目，按照 250目计算（孔径 0.058，网丝宽度 0.1）。4）过滤器通流面积计算滤网有效 表 面 积 3640 0.376 0.12 164.23 2；通流面积 滤网有效表面积 过滤器入口面积1.07，低于 3411 19993 要求（大于1.5）。由于二回路中介质随着溶氧量发生变化，极易造成碳钢管道被腐蚀产生四氧化三铁的浮锈物质，造成过滤器堵塞。在滤网堵塞面积为 0 时，根据试验数据（图2），冷却水流量为 35.66 ；根据工程经验，滤网堵塞时，其流量与滤网通透率呈正比例关系，因此该过滤器的流量与滤网通透率的关系如图 5 所示。故当滤网堵塞面积达到 71.51 时，实际流量将至 10.16 的设计值。当滤网堵塞面积继续图 5机封冷却水流量与过滤器通透率的关系图132023 年第 1 期增加时，冷却水温度将无法维持在 60 以内。根据现场历次机封过滤器清洗检查情况，每次机封温度异常波动时，滤网均被严重堵塞。由于滤网堵塞面积无法直接测量，现场采用透光方式进行了估测，根据旧滤网清洗检查经验，一般情况下出现温度升高的滤网，堵塞面积大于 80，对应该工况下的机封冷却水实际流量约7.13 ，小于机封冷却水设计需求流量。因此，机封冷却水滤网堵塞造成冷却水实际流量低于设计需求值，导致机封磨损的可能性极高。当机封过滤堵塞超过临界值并进一步堵塞时冷却水流量降低，机封端面温度升高，摩擦状态改变，密封面可能被干摩。2.3机封冷却器安装高度该泵机械密封使用 682 的 23 冲洗方案，为了增强密封冷却水的循环能力，利用冷却器安装高度，使冷却器进出口管路中具有虹吸功能，23 冲洗方案规定冷却器安装高度要高于泵轴中心线 450 600，但现场实际安装的冷却器高度比泵轴中心线低了约1100，不满足标准要求。将冷却器安装位置设置在高于泵轴中心线以上，主要是利用热虹吸效应提高换热速率，但该速率对备用泵机封温度的影响较大。当泵运行后，在泵效轮作用下，冷却介质强制循环，换热器的安装高度对于泵腔的温度影响较小。因此，机封冷却器安装高度不满足标准要求导致机封温度高的可能性较小。2.4转子定位检查当转子定位异常时，特别是转子向非驱动端移动时会使机封压缩量过大导致磨损失效。检查机封失效前轴位移趋势平稳无异常突变。同时检查油封间隙、推力间隙、转子窜量，数据如表 2 所示。根据检查数据判定转子的轴向定位无异常。表 2转子数据检查项目名称油封径向间隙（自由端）油封径向间隙（驱动端）推力间隙 总窜半窜 修前0.300.350.364.152.13修后0.350.370.384.162.16标准0.6 0.70.6 0.70.3 0.414 6因此，转子偏移引起机封过压缩导致机封磨损失效的可能性较小。2.5静环座辅助密封圈影响分析经过检查，发现静环座辅助密封圈存在较为明显的变形，且该密封圈与静环座接触的位置存在磨痕。产生磨痕的主要原因为机械密封在安装过程中很难保证密封端面与主轴绝对垂直，而是会与主轴形成一个微量倾角4。虽然在弹簧的补偿作用下，能够使动环与静环紧密贴合，但是由于微量倾角的存在，动环每转动一周，都会造成密封端面在轴向上的微量窜动，与此同时静环座上的动态辅助密封圈也会随之发生轴向的微量窜动，虽然窜动幅度不大，但微动频率较高，逐渐在轴上产生磨痕，辅助密封圈在动态运动过程中的摩擦系数会增大，导致其轴向摩擦力增加。介质中的杂质与辅助密封圈接触后也会增大摩擦系数，其轴向摩擦力也会增加。测量静环座与其配合外环的尺寸示意图如图 6所示。正常情况下，辅助密封圈的极限压缩量为0.12，即初始压缩率为 2.25，与传统辅助密封圈初始压缩量控制在 3 74 之间的结论基本吻合。但该处的辅助密封圈接触矿物油溶胀后丝径变为 5.6，压缩量增加了 0.27，总压缩率约为 7，此时辅助密封圈接触应力增加，轴向接触摩擦力增加。若辅助密封圈在轴向微动的某一瞬间“挂”在静环座上，此时弹簧力无法克服摩擦力使静环进行有效的补偿，静环与动环分开，泄漏量增大，造成密封端面压力降低，介质压力与弹簧力共同作用下恢复静环的补偿功能，密封面贴合，密封泄漏量减小，但摩擦加剧；如此反复的过程最终使机封磨损失效。这与现场检查时所见到的密封泄漏液在满管流及滴状流两种状态来回交替的现象一致。因此，辅助密封圈的轴向摩擦力增大造成机封静环卡滞使动环完全磨损的可能性较高。图 6静环座间隙图232023 年第 1 期2.6结论通过上述分析，引起此次机封失效的主要原因为：1）该机封前期因滤网频繁被堵塞，机封冷却水流量降低，机封密封端面温度升高，密封端面摩擦状态改变而缓慢磨损；2）由于静环座辅助密封圈溶胀，造成其轴向微动摩擦力增加，加剧密封端面磨损，导致机封使用寿命大幅降低。3改进措施验证3.1机封冷却水过滤器优化及验证前文分析机封冷却水管线上的过滤器不满足标准要求，遂对该过滤器进行换型。换型后滤网的入口面积不变仍为 153.89 2，但将网板的平均面积由原来的 3640 2增大到 6175 2，冲孔水阻系数不变仍为 37.6，滤布目数增加到 350 目，滤布水阻系数变为 11，从而有：滤网的有效面积 6175 37.6