浅谈方家山核电工程主泵轴密封系统

浅谈方家山核电工程主泵轴密封系统

王鹏

（中核运行公司运行二处 浙江省 嘉兴市）

摘要：轴密封系统是主泵的核心之一，其安全可靠直接保障了主泵的安全运行。本文简要介绍方家山核电工程反应堆冷却剂泵轴封系统的组成及运行，重点介绍其采用的三级机械密封的组成和工作流程、技术特点。此外还阐述了轴密封系统的其他辅助设备(例如高压冷却器、停车密封、检修密封)的技术特点，主泵轴封注入水系统以及主泵失去轴封注入水的危害。

关键字：主泵；轴密封；轴封注入水

1. 引言

反应堆冷却剂泵又称主泵，用于驱动高温高压（15.5Mpa、310℃）、同时具有较强放射性的冷却剂进入反应堆堆芯，把堆芯中由中子裂变反应产生的热量传送给蒸汽发生器二次侧。主泵是一回路主系统的核心，它的安全可靠直接影响反应堆的安全运行。方家山核电工程使用的反应堆冷却剂泵为奥地利安德里茨公司的单级、离心、立式轴流泵。主泵设置了一套可控制的轴封供应装置控制冷却剂沿主轴泄露，轴封供应装置向主泵提供轴封水，避免了高温、高压、带放射性的冷却剂泄漏。轴密封是主泵的核心部件，其安全可靠决定了主泵的安全可靠，下面对主泵的轴密封系统作一简述。

2. 主泵轴密封系统

2.1主泵轴密封系统的概述

主泵轴密封由三级机械密封、一个停车密封和一个检修密封组成。在正常情况下，系统的高压是依靠三套设计完全一样的液体动压机械密封来实现密封的，各级密封承受33%的压力，考虑到主泵密封的可靠性，每级密封设计时都按照100%的受压等级设计，如果其中某一级密封丧失，其它另外两级密封一起承担密封能力（各级承压50%），任意两级同时丧失，剩下一级密封也能按照100%承压能力承压。该三级机械密封有着相同的几何结构，三级密封之间可以互换，位于泵轴的末端，安装在密封室中。三级机械密封的作用是保证在电厂正常运行期间，一回路冷却剂沿泵轴向安全壳的泄漏量基本为零。反应堆冷却剂泵机械密封结构见图1。

流体动压机械密封是利用流体的粘性附在摩擦表面，并在摩擦面做相对运动时将流体带入到两摩擦表面之间。当两表面形成收敛间隙时，会产生一定的流体动压力，从而将两摩擦面分隔开来，保持两摩擦表面非直接接触，达到降低摩擦阻力，减少表面磨损，延长使用寿命，保证设备正常运转。在流体动压密封中，把轴密封设计组合成套筒形式，安装在密封室中，其中密封的转动部件安装在各级密封的轴套上，这些轴套与轴的各段滑配，各部件间依靠O型圈进行密封。通过这些对各部件的合理设计和装配达到最优的密封功能。

图1:反应堆冷却剂轴密封剖面图

2.2主泵轴密封系统的流程

主泵正常运行时，轴封是通过三级动压式密封来完成的。通过三级压降，将轴封系统内压力（即：轴封水压力）分别降至高压泄露流和低压泄漏流的压力。

正常运行工况下轴封注入水以155bar、1.92m3/h流量经过密封壳的管接头进入主泵，在腔室内，密封水分成三个主要支流（如图2）：         

轴封水的第一部分以1.12m3/h的流量向下流经1#轴密封组件外壳和下导轴承，并与排出的主冷却剂汇合。这部分流量的作用一方面可以冷却下部径向轴承，另一方面防止冷却剂向上流动，引起高温且可能含有杂质的冷却剂流进泵轴承和轴封，从而造成一级轴封的损坏。

轴封水的第二部分经一道节流孔板后压力从约15.4MPa降低到10.4MPa，以0.4m3/h的流量进入第二级的密封腔室并冷却第二级密封，然后再次经一道节流孔板压力从10.4MPa降低到0.2～0.3 MPa，成为高压泄漏流的一部分后离开主泵。

轴封水的第三部分经一道节流孔板压力从大约15.4MPa降低到5.4MPa，以0.4m3/h的流量进入第三级的密封腔室并冷却第三级密封，然后再次经一道节流孔板压力从5.4MPa降低到0.2～0.3MPa，同第二部分注水末端汇合，成为高压泄漏流（HP-Leakage）的一部分并与冷却第二级密封的高压泄漏流混合后离开主冷却剂泵，返回到RCV系统。

图2：轴密封注入水流量分配

除这三条主要密封流道外，实际上各级密封的泄漏均非常微小。在正常运行工况下，根据设计各级密封大约为5～10L/h的泄漏量。前两级密封的冷却水流汇合，因此，经过首道密封后,其压力从15.4MPa降低到10.4Mpa成为第二道密封的注入水。同样，第二级密封的泄漏与第三级密封的冷却水汇合。因此，经过第二级密封后,其压力从10.4MPa降低到5.4MPa。第三级密封的泄漏水独立离开密封腔室，称为低压泄漏流（LP-Leakage），因为经过第三级密封后,其压力从5.3MPa降低到大约0.1MPa（外部环境压力）。             

上面提及的节流管路位于密封室的内部，他们是密封腔的组成部分。这些节流管是由奥氏体钢制成的内径很小（大约3mm）的细管。为了按设计好的方法降低水流的压力，这些细管的长度在生产制造时要单独进行精确校准。

3 主泵轴密封系统其他辅助设备

3.1高压冷却器

因为核电站一回路的特殊性，高压冷却器的要求很高。高压冷却器是立式结构，可以改变主泵停运期间或者在正常运行期间的虹吸作用。高压冷却器的管侧（一次侧）走轴封注入水，管侧的设计压力为17.23MPa，水压试验压力为25.83MPa。而壳侧（二次侧）走设冷水，设计压力为1.2MPa，水压试验的压力为1.6MPa。在正常轴封注入水供应情况下，RRI设备冷却水作为高压冷却器的冷却水保持供给，设冷水正常维持在25-30℃，最高限制在45℃，正常运行期间设冷水流量30m³/h,最低25m³/h，最高38m³/h。该流量能够保证把轴封注入水温度从300℃冷却到52℃。这样如果正常轴封水丧失，高压冷却器立即对再循环管线作为应急轴封水的高温冷却剂进行冷却，将设冷水温度降到50℃一下，作为应急轴封注入水使用。

3.2停车密封

虽然轴封系统中的三级流体动压密封每级均能承受全系统15.4MPa的压力，但是在某种极端情况下，可能引起轴封系统中的三级密封全部失效，或者由于第一级密封的失效可能引起其后各级密封的相继失效。这样会使反应堆冷却剂大量泄漏在安全壳内，为此，在第三级轴密封后面专门设置停车密封。停车密封作为最后的屏障，起到防止核反应堆主冷却剂泄漏的作用。该停车密封可以承受全系统压力，但是仅在主泵静止不转动时可以工作。

在正常运行时，停车密封由设置的弹簧来保持开启位置，其氮气供气阀RCP909VZ关闭，电动排空阀RCP908VZ开启，保证停车密封不会误动作。停车密封与高压泄漏管路、低压泄漏管路以及注入水管路中的电动阀相配合操控。在需要关闭停车密封时，先关闭电动排空阀RCP908VZ，再开启氮气供气阀RCP909VZ，在氮气压力的作用下就可以使停车密封关闭。如果第三级密封发生严重的故障，低压泄漏升至一定数值，这样就不可能通过低压泄漏管路来排出。在反应堆冷却剂泵的转子停转后，在以上提到的三条管路中的电动阀关闭，内部水压往关闭方向作用于停车密封上，停车密封的活塞向上移动，直到活塞中的O型环压住泵转子联轴器的下半部，这样就能避免主冷却剂流出反应堆冷却剂泵。

3.3   检修密封

在泵轴下部和叶轮上部设有一个检修密封，用于中间轴段(联轴器)移走后进行主轴密封的检查或更换时防止大量的反应堆冷却剂泄漏，最大允许泄漏量4L/min时承受10.1米水压。

4主泵轴封注入水系统

4.1正常轴封注入水

正常轴封注入水来自RCV上充泵的出口（正常运行时为1.92 m³/h），经引射器（814EJ）进入高压冷却器（101RF），再经过旋液分离器（001SE）除去微颗粒，最后进入主泵的第一级密封腔。当运行的上充泵因故不可运行时，可切换至备用泵继续保证上充流量及轴密封水的供应。

当RCP系统降压后，上充泵停运而下泄流经RCV-RRA连接管线返回RCP系统。此时由容积控制箱依靠重力供给轴封水，容积控制箱的压力由RAZ供气维持在0.3MPa.a，以提供最小的轴封注入流量，保证轴密封不会损坏，并且此时应手动隔离轴封水回水管线。

4.2 应急轴封注入水

除了由离心式上充泵供应的正常轴封注入水外，主泵本身还配有应急轴封注入水供应系统，在正常轴封注入水流量低到1.35 m³/h，紧急密封注入水的再循环注入隔离阀（906VP）立即自动开启，将主泵出口处经主泵增压后的反应堆冷却剂引入应急注入管线，经高压冷却器冷却后，进入主泵的第一级密封腔。

只要应急轴封注入水工作正常，即使正常轴封注入水中断，在高压冷却器正常工作的情况下，主泵也能连续工作。但是，由于反应堆燃料组件有可能少量破损，造成反应堆冷却剂中有一定的辐射剂量，所以如果长时间用应急轴封注入水，可能造成主泵轴封的损坏；同时主泵长期运转会造成对主泵轴封系统的辐射污染，将来反应堆停堆检修轴密封时对于工作人员的健康不利。因此，当应急轴封注入水系统投入工作时，要尽快分析和找出原因，排除故障，尽快地恢复正常轴封注入水的供应。

4.3 全厂断电事故下的轴封注入水

在全厂失电的事故工况下，水压试验泵能向主泵的轴密封提供后备的轴封注入水（出口压力约18MPa）。在丧失所有交流电源的情况下，主泵、离心上充泵不可运行，此时由水压试验泵9RIS011PO自动工作在轴封注水模式向反应堆冷却剂泵注入轴封水。水压试验泵的电源来自其自备的柴油发电机组9LSS，保证其在全厂断电事故下的快速、可靠启动，从而向主泵轴封提供注水流量，以润滑和冷却主泵轴封，从而防止轴封损坏和一回路在此处出现破口。

5主泵轴封水丧失的危害

由以上介绍可知，为保证轴封的良好运行，设置了多重的供水保障，并且在主泵轴端还设有停车密封作为最后的屏障，在三级密封全部损坏时防止核反应堆主冷却剂的泄漏。但在全厂失电的事故下，一旦以上措施全部失效，主泵轴封处可能因高温、高压损坏，造成一回路压力边界的破坏。高温高压的堆冷却剂通过主泵轴封破口向安全壳内喷射，形成一回路的小LOCA，引起堆芯冷却剂水装量的减少。事故如长期得不到控制，因冷却剂的流失将进而引起主系统压力下降，水位下降，甚至导致堆芯裸露，热量无法导出，最后造成堆芯熔毁的严重事故。因而，对于主泵轴封系统，我们必须保证其安全、可靠地运行，不能出半点差错。

6结论

轴封系统的正常运行是主泵运行的必要条件，它是主泵的关键部件，与主泵的安全、可靠运行密切相关。本文分别讲述了主泵三级轴密封的构成，轴封注入水的流程及其主要的辅助设备，轴封注入水的供应和保障以及分析了轴封失效后可能引起的不可接受的严重事故。综上所述，方家山核电工程主泵轴封系统是能够满足主泵的稳定运行的要求，发生轴封不可用的几率很低且一般都有相应的后备支持系统，并具有多重防护核事故发生的措施的可靠部件。

参考文献

[1] 反应堆冷却剂系统手册  B CFC 2012

[2] 方家山核电工程运行技术规范  002 EXE 2016

[3] 张建国 方家山主泵培训讲义  2011-11-20

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