CPR1000壓水堆核電站核級泵用機械密封鑒定淺談

　　詳細介紹適用于CPR1000壓水堆核電站核級泵用機械密封(除主泵機械密封外)樣機的鑒定方法、鑒定內容、驗收準則及一般鑒定程序，已成功應用于我國核級泵用機械密封樣機的研制。實(shí)踐經(jīng)驗表明，該鑒定規則具有很強的可操作性和普遍的可接受性，在核級泵用機械密封國產(chǎn)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

　　隨著(zhù)核電行業(yè)的迅猛發(fā)展，對核電裝備的國產(chǎn)化要求越來(lái)越高。近年來(lái)我國核電裝備國產(chǎn)化水平迅速提高，基本實(shí)現了反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內構件和驅動(dòng)機構、反應堆主管道、核二三級泵閥、K3電機等一批關(guān)鍵設備的自主制造。CPR1000核電機組是我國自主設計、自主施工、自主建設的核電品牌，其核電裝備大量使用國內產(chǎn)品，關(guān)鍵設備國產(chǎn)化率達到80%以上。但同時(shí)，很多關(guān)鍵設備的零部件、重要材料仍然依賴(lài)進(jìn)口，如主泵機械密封、K1級電機、高溫耐輻照橡膠圈等。近兩年，為了推動(dòng)核電裝備國產(chǎn)化向深度和廣度發(fā)展，國家對核電裝備重要零部件的國產(chǎn)化給予大力支持，成功實(shí)現了核級泵用機械密密封、閥門(mén)驅動(dòng)機構等重要零部件的國產(chǎn)化。

　　本文針對核級泵用機械密封(除主泵機械密封外)國產(chǎn)化過(guò)程中的鑒定進(jìn)行介紹，闡述機械密封的鑒定方法、鑒定內容、驗收準則以及相關(guān)文件的編制等內容。

1、核級泵用機械密封鑒定概述

　　1.1、基本結構形式

　　對于核級泵用機械密封的結構設計，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為除考慮使用工況、安裝空間等方面的因素，根據核電站特殊的使用條件，還需考慮以下四個(gè)方面：①放射性廢物是否會(huì )增加;②維修時(shí)間盡量短，盡量減小維修人員的受輻照劑量;③具有高度可靠性;④通過(guò)密封正常泄漏的可能存在的放射性廢物是否會(huì )對環(huán)境造成潛在污染。

　　綜以所述，盡管雙端面、串聯(lián)等形式的機械封密封效果較好，但其安裝空間較大，維修時(shí)間相對增長(cháng)，并引入封液，需額外增加封液系統，使機械密封系統復雜化，導致可靠性下降并增加放射性廢物。因此，在滿(mǎn)足使用要求的情況下，核泵用機械密封(除主泵機械密封外)盡量選用單端面、集裝式密封結構。經(jīng)過(guò)大亞灣、嶺澳核電站多年的使用業(yè)績(jì)證明，單端面、集裝式的機械密封能夠很好滿(mǎn)足核級泵的使用要求，因此，在CPR1000機組的核級泵用機械沿用單端面、集裝式密封結構(表1)。

表1 CPR1000機組核級泵用機械密封結構形式

　　1.2、鑒定的定義

　　從廣義的設備鑒定來(lái)說(shuō)，鑒定即為確保設備一經(jīng)要求就能投入運行且滿(mǎn)足系統性能要求的證據的產(chǎn)生與維持。作為核級泵重要且脆弱的零部件的機械密封來(lái)說(shuō)，鑒定就是確保不會(huì )因為機械密封的失效引發(fā)核級泵的故障和不可用，保證核級泵在正常及事故工況下滿(mǎn)足預定的性能要求。

　　1.3、鑒定方法

　　對于機械密封的研發(fā)或進(jìn)行重大改動(dòng)的機械密封，需采用試驗、類(lèi)比、分析及經(jīng)驗反饋的方法對其進(jìn)行鑒定。對于機械密封的鑒定可單獨使用試驗或類(lèi)比方法對機械密封進(jìn)行，但不能單獨使用分析或經(jīng)驗反饋法，此兩種方法須結合試驗或類(lèi)比法使用。

　　(1)試驗法，把一個(gè)或一類(lèi)能代表電站現場(chǎng)使用的機械密封進(jìn)行一系列試驗，這些試驗參數應能夠模擬實(shí)際運行工況及電站運行中可能出現的事故環(huán)境工況。

　　(2)分析法，綜合采用定性或定量推理方法證明設備執行其安全功能的能力，該方法用來(lái)鑒定由于尺寸、環(huán)境參數以及其他限制原因不可能采用試驗法的設備。

　　(3)類(lèi)比法，應用邏輯推理的方法證明要鑒定的設備與一已經(jīng)通過(guò)鑒定的設備類(lèi)似。

　　(4)經(jīng)驗反饋法，根據在常規工業(yè)中的情況來(lái)推斷在核電站中執行其安全功能的能力。

　　(5)混合法，主要是混合使用試驗法、分析法、經(jīng)驗反饋法等方法進(jìn)行的設備鑒定。

　　1.4、鑒定內容及要求

　　CPR1000核級泵用機械密封試驗法鑒定的具體內容可分為基準試驗與檢查、極限試驗、性能隨時(shí)間變化試驗與事故試驗等階段。

　　1.4.1、基準試驗與檢查

　　在鑒定試驗開(kāi)始前，需對機械密封零部件進(jìn)行必要的目視檢查及關(guān)鍵零部件的關(guān)鍵特性參數的檢查，如O形圈的內徑、截徑與硬度、彈簧的自由高度與剛度、密封環(huán)的原始尺寸、機械密封額定工況下的運行力矩等。對于高轉速(3600r/min以上)的機械密封，需要進(jìn)行動(dòng)平衡檢查。進(jìn)行以上的檢查主要目的是確保機械密封的零部件符合設計要求且完好和確定設備的基準參數，為后續的檢查做參考。

　　對機械密封的基準試驗需要完成靜壓試驗與運轉試驗。靜壓試驗，其試驗壓力為產(chǎn)品最高使用壓力的1.25倍，保壓30分鐘。運轉試驗，其試驗壓力為產(chǎn)品最高使用壓力，連續運轉5小時(shí)。

　　對于CPR1000機組使用的機械密封靜壓試驗和運轉試驗泄漏率的推薦值見(jiàn)表2。其中CPR1000機組中所用核二級、核三級泵的軸徑范圍基本確定，因此不再考慮軸徑的影響。

表2 基準試驗泄漏率推薦值

　　1.4.2、極限工況試驗

　　由于核電站廠(chǎng)外電源以及廠(chǎng)內應急電源供電頻率均存在一定的變化范圍(表3)，對于需要廠(chǎng)外電源以及廠(chǎng)內應急電源供電的設備在設計時(shí)需要考慮由于電源頻率波動(dòng)而帶來(lái)的影響。核二、三泵在設計時(shí)應考慮由于供電頻率波動(dòng)而引起的超速，同樣，對于泵用機械密封也需考慮供電頻率波動(dòng)而引起的超速。對于機械密封的鑒定，也應模擬這一工況，以驗證機械密封在超速工況下的性能。

　　對于CPR1000機組而言，其所有的核二級泵以及設備冷卻水泵、乏燃料水池循環(huán)泵等核三級泵所用機械密封，需完成事故工況下的電源最高頻率(57.5Hz)對應極限轉速試驗，并運轉20分鐘。

表3 電源頻率的正常和異常范圍

　　1.4.3、性能隨時(shí)間變化試驗

　　進(jìn)行性能隨時(shí)間變化試驗的目的是為了檢驗設備的可靠性、設備性能隨時(shí)間變化的數據以及暴露無(wú)法預計的設計缺陷，而不是通過(guò)試驗來(lái)確定設備運行壽命。這些試驗的種類(lèi)一般是由設備顯著(zhù)老化機理的種類(lèi)來(lái)確定。

　　對于機械密封需要考慮由于運行工況變化所引起的各類(lèi)應力對其性能的影響，以及通過(guò)長(cháng)期的運行試驗來(lái)獲得設備性能隨時(shí)間變化的數據并驗證設計的合理性。

　　(1)變工況試驗

　　變工況試驗需完成三個(gè)過(guò)程：①溫度、轉速固定(額定工況)，壓力(P)逐級變化;②壓力、溫度固定(額定工況)，轉速(n)逐級變化;③壓力、轉速固定(額定工況)，溫度(T)逐級變化。以上每個(gè)過(guò)程至少進(jìn)行5個(gè)小時(shí)，參數由最低至最高點(diǎn)至少要求包含4個(gè)級別，在最高參數點(diǎn)至少運行1個(gè)小時(shí)。如圖1所示。試驗期間的泄漏量推薦值不超過(guò)表2中運行試驗泄漏率的兩倍。

　　(2)長(cháng)期運行試驗

　　為獲得設備性能隨時(shí)間變化的數據及驗證設計的合理性，核級泵用機械密封至少進(jìn)行1100小時(shí)的長(cháng)期運行試驗，試驗期間進(jìn)行不少于50次啟停。長(cháng)期運行試驗條件應盡量滿(mǎn)足要求：①轉速與泵正常轉速相同;②與泵運行工況相同的壓力與溫度;③與泵運行期間相同的壓力與溫度變化;④試驗期間徑向軸位移幅度與泵組運行時(shí)相當(若可能);⑤對于余熱排出泵、上充泵、安全殼噴淋泵及低壓安注泵所用機械密封的長(cháng)期運行試驗還應包含至少400小時(shí)的高溫試驗(泵組可能運行的最高溫度)。試驗期間需要定期測量機械密封的振動(dòng)及泄漏量，試驗后測量密封端面磨損量。

圖1 試驗步驟

　　1.4.4、事故試驗

　　事故試驗的目的是為了驗證設備能夠地震荷載下(要求時(shí))及事故環(huán)境條件下能夠完成其規定的功能。但由于機械密封是地震不敏感設備，不需要對其在地震荷載下的功能進(jìn)行論證，其主要原因為：①機械密封一般安裝在泵軸與密封腔之間，泵軸的載荷一般通過(guò)軸承來(lái)傳遞，不是機械密封，因此機械密封在設計上就不在載荷(包括地震力)的傳遞路徑上[3];②機械密封一般設計有彈性補償元件，對于地震引起的振動(dòng)具有較強的抵抗能力。

　　(1)輻照試驗

　　由于核級泵所用的機械密封所接觸輸送液體具有不同程度的放射性，因此需要對使用的材料進(jìn)行必要的驗證，特別是用于事故緩解的安全設施泵組所用的機械密封。對于CPR1000機組中余熱排出泵、上充泵、安全殼噴淋泵以及低壓安注泵所用機械密封需要考慮材料耐輻照的要求，特別是輻照敏感的橡膠密封圈以及其他非金屬部件。這些零部件均需完成特定劑量的輻照試驗，以證明其能夠滿(mǎn)足機械密封的使用要求。

　　(2)熱沖擊試驗

　　在核電站發(fā)生失水事故或蒸汽管道破裂事故下，會(huì )啟動(dòng)安注系統、安全殼噴淋系統對事故進(jìn)行緩解，由于換料水箱(PTR水箱)的容積有限，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵的供水水源最終會(huì )從換料水箱跟換到安全殼地坑，從而進(jìn)入安注、安全殼噴淋的再循環(huán)階段。然而，水源的切換會(huì )造成設備所輸送介質(zhì)溫度的瞬時(shí)改變，瞬時(shí)溫差可能會(huì )高達到113℃。在事故工況下，余熱排出泵也有可能經(jīng)受如圖2所示的介質(zhì)熱沖擊。

圖2 余熱排出泵承受的溫度波動(dòng)

　　因此，為了驗證機械密封具有耐冷熱沖擊的能力，余熱排出泵、高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵以及低壓安注泵用機械密封需要進(jìn)行耐熱沖擊試驗。對于CPR1000機組，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵和余熱排出泵所用機械密封熱沖擊試驗條件如下：①對于高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵用機械密封，需要進(jìn)行不少于3次的熱沖擊試驗，試驗介質(zhì)入口水溫由7℃瞬時(shí)(≤10s)升高到不低于120℃，并在該溫度運行4h;然后降至60℃，并在該溫度運行4h;②對于RRA泵用機械密封，熱沖擊試驗分為兩個(gè)階段，第一階段試驗介質(zhì)溫度由20℃瞬時(shí)(≤10s)升高到不低于190℃，并在該溫度上運行4h，然后降至60℃，在該溫度運行4h;第二階段試驗介質(zhì)溫度由190℃瞬時(shí)(≤10s)降低到不高于80℃，并在該溫度運行4h。上述試驗至少反復進(jìn)行3次。

　　(3)雜質(zhì)試驗

　　當電站進(jìn)入再循環(huán)階段時(shí)，水源由從換料水箱跟切換到安全殼地坑，而地坑水含有大量的雜質(zhì)，對機械密封的耐磨蝕、耐雜質(zhì)顆粒的能力提出了較高的要求。所以需要對機械密封的耐磨蝕、耐雜質(zhì)顆粒的能力進(jìn)行試驗研究。對于CPR1000機組，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵和余熱排出泵用機械密封，至少需進(jìn)行100小時(shí)雜質(zhì)試驗，泵雜質(zhì)試驗條件為[6]試驗介質(zhì)溫度不低于120℃。試驗介質(zhì)特性為：①過(guò)濾閾值，網(wǎng)格過(guò)濾器2.1mm×2.1mm;②重量濃度為500mg/kg;③雜質(zhì)顆�；旌衔锝M分為，以2.1mm過(guò)濾的碎混凝土300mg/kg，保溫材料(碎玻璃棉)100mg/kg，砂60mg/kg，碎玻璃10mg/kg，脫落油漆30mg/kg。

2、鑒定文件

　　在完成上述試驗后，應編寫(xiě)鑒定總結報告，作為機械密封樣機鑒定的結論性文件，鑒定總結報告至少包括下述內容：

　　(1)已鑒定樣機的標識資料;

　　(2)確定鑒定的組織機構名稱(chēng);

　　(3)確定鑒定的方法和特定規格書(shū)的基準文件;

　　(4)各個(gè)鑒定階段的記錄和結果;

　　(5)鑒定期間發(fā)生的事件(不滿(mǎn)意的結果、設備故障)記錄，以及后續行動(dòng)的簡(jiǎn)明報告(修改說(shuō)明、重新開(kāi)始試驗的條件、補充試驗等);

　　(6)宣布樣機質(zhì)量鑒定要求或提出不符合項的要點(diǎn)。

3、小結

　　本文對核級泵用機械密封的鑒定方法、鑒定內容及鑒定程序作了重點(diǎn)闡述。鑒定的內容可分為基準試驗與檢查、極限試驗、性能隨時(shí)間變化試驗與事故試驗等幾個(gè)階段。本文論述的鑒定規則具有很強的可操作性和普遍的可接受性，已經(jīng)實(shí)際指導了多種核級泵用機械密封的鑒定，對核級泵用機械密封實(shí)現國產(chǎn)化具有重要的指導意義。