核主泵端面密封类型的可靠性分析
索双富，谭世勇1，黄伟峰1，刘伟，杨春艳”
（1.请华大学机械工程系设计工程所，北京100084：2.申国石油物资公司，北京100029）
摘要：本文首先对轻水反应堆的核主泵类型选行了分析，针对其核主泵的主要应用形式一轴封型核主聚进行了端面密封类暨的介绍，再从可事性的观点出发，分析了端面密封中核心零件密封环的失效形式，在分析的基础上，从可靠性角度分析了端面密封环的不同形式的失效模式以及定性可靠性指标. 为开展和主泵的端面密封形式选择.
美键调：核主泵：密封：竭面选择：可靠性
中图分类号：TL371 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2015)04-0609-07
The Reliability Analysis of Mechanical Seal in Nuclear Coolant Pump
SUO Shuang-fu' TAN Shi-yong' HUANG Wei-feng² LIU Wei' YANG Chun-yana
(1. Department of mechanical engineering Tsinghua Univ. Bejing 100084 Chins)2. CPMC Beijing 10029 China)
Abstract; This article firstly introduces several types of the Light-water nuclear reactorprimary pump type and its shaft seal. Then from the viewpoint of reliability the failuremode of sealing ring which is one of the core parts in face seal is analyzed. On the basisof the analysis from the point of view of reliability the failure different mode and qualitative reliability index of face seal ring are calculated The article providesreferences on the selection of the mechanical face seal form in designing nuelear coolantpump.
Key words: Nuclear coolant pump: Seal; Seal selection: Reliability
人类对化石能源需求日益猛增，化石能源逐渐走向枯竭，核能作为一种清洁高效能源，相对风能、太阳能等更稳定，是未来发展最为看好的我国核能占一次能源比例远不足世界核能， 可替代化石能源成为主要的产能方式.然而，
1核主泵的重要性与轴封泵的应用
能源是人类文明诞生和发展的驱动力，煤展将近200多年，然而化石能源不可再生，面且 炭、石油、天然气等化石能源已支撑人类文明发
而核能中关键技术依然依赖于国外技术，掌方面可持续发展的重中之重. 握自主产权的核能技术、发展核能是我国能源
核主泵用于为堆芯提供冷却循环水，被业内称为核电站的”心脏”，目前压水堆核电站主泵有屏蔽系与轴封泵两类，这两种泵的主要差 别在于是否存在轴封.屏蔽泵通过电磁作用传动扭矩，用隔套把水封闭住，不需要轴封，轴封泵则是通过转输传递动力，需要轴封将水密封于泵体内部.但相对屏蔽泵来说，输封泵效率更高，技术更为成熟，成为国内核电站广泛 使用的核主泵型式.但是，轴封磨损一直是阻码轴封泵推广的主要问题.另外，核主泵没有实现预期国产化日标的一个主要原因就是核电行业对国产核主泵的可靠性仍没有一个坚定的 把握.所以，研究轴封泵的轴端密封的可靠性，对克服轴封泵泄漏并提高可靠性，显得非常的重要.
图1典型机械密封示意图Fig. 1Typical mechanical seal6-累定螺钉：7-传动螺钉：8--动环；0形圈：9-静环； 1-静环：2-动环：3-传动销：4-弹簧：5-弹簧座：10-防转销：11-压量：12-推环：13输套
机械密封均为流体动压型机械密封，每级均分压力；面美国西屋公司核主泵的三级机械密封分别为一级非接触式流体静压型主密封和二、三级接触式机械密封，其中一级主密封承受全压，由于是静压型机械密封，泄漏率较大，二、三 级接触式密封可以将泄漏率控制在0.1Lh-以内，我国大亚湾核电站的核主泵采用的就是这种密封结构.当一级主密封失效为提高机械密封的可靠性，核主泵密封也有采 后，二级密封则替代一级密封继续正常工作.用多级申联混合型密封，这是一种异构余的可靠性设计思想.例如德国欧碧输压水堆核电站主泵采用两级流体静压型密封、一级流体动压型密封以及安全密封的组合；日本Nippon Pillar公司设计一种由流体静压型密封和两级流体动压密封组成的轴封形式，应用在沸水堆核主泵上
2核主泵轴封类型及其性能分析
核主泵端面密封采用机械密封形式.机械密封用于防止聚体内放射性流体从传动输轴孔配合间隙泄漏，这种密封形式可以把轴与密封件环端面的相对转动，从而大大降低或阻止了密封 的周向相对运动转换成垂直于旋转轴向的动静件的磨损，典型的机械密封装置如图1所示.核主泵轴端密封主要为非接触式机械密封，按密密封、槽形机械密封与表面织构机械密封，锥形 封端面形状分类，可分锥形机械密封、波形机核机械密封不能产生动压流体效应，因此称为静压型机械密封，而波形机械密封、糖形机械密封与表面织构机械密封可以产生动压流体效应，被称为动压型机械密封.流体静压型机械密封的 泄漏率400~600Lh，而流体动压型主密封泄漏率范围为1~5Lh-1，其中，流体静压型密封以美国西屋技术为代表，而流体动压型密封则以KSB的深槽端面密封以及安德 烈波度端面密封为代表).
体作用影响，不同类型机械密封类型具有不同 核主系机械密封性能主要受动静环间的流优势，下面将主要从锥形端面机械密封、槽形端面机械密封、波度端面机械密封与表面织构端面机械密封四类进行深人探讨.
实际上，核主泵一般采用多级申联式机械密封结构，以保证轴封的可掌性，并且这些密封结构可以是流体静压型机械密封和流体动压型机械密封的组合，例如，安德烈设计的核主泵
2.1锥形端面机械密封
锥形端面机械密封主要依靠动静环间收敛
的锥形参数，其承载能力各异，可见表1.从承载能力较小.但雷烈台阶比较容易沉积颗 表中可以看出，雷烈台阶的承载能力最大，曲面粒，影响密封环正常运行工作.
奥形状流体的静压压力产生开启力，以保持密封端面非接触运行.
机械密封端面锥形可以通过变形或加工产生.常见的锥形有平面收敛、雷列台阶、线性收敛斜平面组合、抛物线形、指数曲面等，不同
表1几种流体槽形的承载能力比较Table 1 The parison of load-carrying capacity between several grooves
精形平面 台阶 斜平面 抛物线 数曲面承载能力 A} AI
2.2槽形端面机械密封
槽形端面机械密封特点在于机械密封有加工周向槽形，分为深槽形和浅槽形，浅槽形端 面机械密封出现相对深槽形端面机械密封较晚，面浅槽形加工要求难度高，并且容易沉积颗粒，核主泵中没有浅槽形端面机械密封的应用实例.
Mayer（1969）提出，为“热流动压效应”，具体解 深槽形端面机械密封作用机理最早由释是：流体经过深槽，将深槽附近热量带走，使其得到充分冷却，从面导致整个环形存在温度差异，进面在环形端面上产生与流体膜量级相 当的周向变形.这种变形在动环转动下，使流体产生动压效应，从而产生开启力，以保持动静环始终处于非接触状态.深槽形端面机械密封端面形貌结构多种多样，有矩形槽、三角形槽、 半圆形槽、直线槽、外圆弧槽等[s.1）.各种槽形形状如图2所示，
图2深糖形机械密封的槽形
Fig. 2 Types of deep groove mechanical seal
安德烈核主泵主输密封结构采用的就是波度端面机械密封，这种密封端面形状采用径向摊度与周向波度相结合.这种机械密封在不同在小压差和小间隙的情形，即机械密封处于启 运转工况下，流体动静压效应所起的作用不同.停状态时，液膜发生空化，流体动压效应起主导作用，使其具有足够的液膜厚度和刚度，保护密封面；在机械密封正常工作时，静压效应主要起主导作用，承受载荷.可见，动静压结 合机械密封既能在正常工作时产生较大的端面开启力，也能在启停状态时逛免密封面接触磨损，极大地保护密封面，提高使用的可靠性和寿命.
2.3波度端面机械密封
波度端面机械密封与槽形端面机械密封一样，同属于动压型机械密封.所不同的是，波度 端面机械密封直接利用其表面微米量级的端面波形产生动压流体效应，因此，波度端面机械密封在工作时热应力相对深槽形机械密封要小，面且波度也不容易沉积颗粒，所以，波度端 面机械密封相对深槽形机械密封具有更高的可称性.
2.4表面织构端面机械密封
表面织构端面机械密封的出现较晚，目前
在核主泵上没有应用实例.但由于表面织构优 良的密封特性，本文将表面织构机械密封引人作为一种可参考的轴封类型.
热裂是过大的应力作用下产生的径向裂纹，如 热损坏有热裂和泡疤，都是过热引起的.干摩擦、冷却系统中断等都会导致热裂的产生，泡疤主要发生在非均质材料中，各组分影胀系数存在较大差异的情况.
通过表面加工来获得好的密封性能是基于弹性流体理论发展起来的".在机械加工后， 机械加工表面形成的粗糙度、加工纹向等形貌会产生不同的润滑效果和承载能力.适当利用表面纹理或织构可以获得好的摩擦性能以及润滑性能.
机械损坏包括磨损和冲蚀，磨损通常由于固体颗粒侵人密封面间，使软密封面磨损，嵌人软密封面后使硬密封面磨损，此外还有多次启停导致的密封面的接触磨损.冲蚀磨损在高压是避免冲蚀磨损的手段. 差的重负荷密封中出现，控制或减低流体流速
surface textured mechanical seal LST-MS)就 激光加工多孔编面机械密封（Laser是一种表面加工机械密封，属于一种近接触式机械密封，与传统机械密封相比，这种机械减小了周向力，使流体膜的主体刚度增加，同时 密封能够有效地增加流体膜的径向反力，同时使主体阻尼减小，从面很大程度提高了动环运转的稳定性.通过研究发现，这种机械密封在相对传统机械密封较大的载荷下也能保证完整的液膜，甚至能在相对较高的PV值系统中 也不会发生胶合，使得适应的PV值范围扩大了150%（，与普通机械密封相比，该类型机械密封可以显著地减小摩擦力矩、降低端面温度[21.激光加工多孔编面机械密封不仅在性能表现优越，而且对加工要求并不高，不必过多 关注端面开孔几何尺寸，很大程度减轻了加工难度和加工成本（1.
3.2机械密封可靠性影响因素分析
3.2.1材料
机械密封端面材料的合理配对是确保其成功运 密封材料在核主泵密封中取决定性作用，行的关键，通常密封材料需要具备许多优良性能：化学稳定性、较高的弹性模量和PV值、优良耐磨性和自润滑性、低摩擦系数和低影胀系数以及良好的不渗透性、导热性、耐热性、耐温 度急变性，并且加工容易、成本低廉.
3.2.2制造
对于机械密封，密封环间的间是微米级的，端面的任何微小的变形或者加工误差都会 对密封性能产生极大的影响0.所以，保持高精度的密封环加工对机械密封的可靠性至关重要.
密封环的制造难度主要来自于槽形的加工，越复杂的槽形，加工难度越大.所以，一般 说来，动压型机械密封环的槽形形状复杂、结构精细、精度高并且粗糙度要求严格，因此加工要比静压型的难得多，由于加工动压槽的密封环多数是硬质材料，所以加工难度很高，传统的机 械加工几乎无能为力.目前在密封端面开槽主要有激光加工法、光化学腐蚀法、电火花加工、电化学加工、电镀法和喷砂法等.这些方法中，激光加工属于较为优良的加工方法，但也要通过反复试验，寻找优化的工艺参数和合理的工
3不同类型轴封泵的机械密封的 可靠性分析
核主泵的轴封作为关键零部件，承担着高能高放射性流体介质的密封功能，起着举足轻重的作用，设计一种高可靠度的机械密封结构 对核主泵的正常运行至关重要.为分析不同类型轴封的可靠性，首先介绍机械密封常见的失效类型，在了解失效类型和机理的基础上，从材料、制造、工况等方面评价不同轴封的可靠性.
3.1机械密封的失效类型
损坏、热损坏和机械提坏三种，在核主泵中，率，才能满足加工要求["）.此几乎没有化学损坏的产生.最为常见为热损 坏和机械损坏.
由于辅助系统将水进行严格的净化和过滤，因3.2.3工况
（1）空化间题
空化现象通常出现在密封端面的发散区，
流体在该区域产生负压，或从外部吸人空气，或是裂纹的萌生，如品间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐从液体中析出气体，或发生液体汽化.在动压蚀等，这些裂纹的产生一般有两方面的原因.型流体密封中，空化可以改变密封面间的膜压其一是材料，例如金属材料容易产生的晶间腐 分布和承载能力，是形成承载力的原因，但空化气泡的奔溃也会形成点蚀，从面使密封失效（"，由于动压型机械密封存在发散型模，因此，动压型机械密封更容易遭受空蚀损坏. 此比静压型机械密封更容易出现空化现象.因
跳跃开启的风险.密封端面间的液体汽化，件，同时表面应力在高压高湿腐蚀的流体中容导致端面间瞬间的压力变化，造成端面振动.使得端面运动稳定性变差，严重时会导致密封碰 磨失效.
（2）颗粒沉积
电泳导致密封端面颗粒沉积.颗粒沉积容易出现在几何形状过渡不光滑的密封环中，如 台阶型静压型机械密封、多种槽形的动压型机械密封、端面带微孔或织构的机械密封.此外，软质材料的密封环也容易内嵌外来的颗粒，颗粒的存在给密封性能带来的负面影响是多方面 的.首先，颗粒的存在容易造成密封端面的磨损：其次，大量的颗粒沉积会增大端面锥度，从面增大泄漏率[
(3）极端工况
热流的侵人、转速突然下降或者外干扰作用等.和作为相应机械密封的可靠性指标，该指标越极端工况极其容易引起机械密封运行的稳定性.例如密封流体的断供、泄压可能导致闪蒸封不稳定；另外，热流的侵人也会导致密封 现象，从而影响密封间隙压力分布，最终导致密的失稳，这是因为热流的侵人会改变湿度分布的改变，有可能导致相变或者相变位置的变化，转[.不同类型机械密封应付极端工况能力 进面改变端面受力分布，最后导致不稳定的运不同，动压型机械密封相对静压型机械密封来说抗干扰能力更强，稳定性更好.
3.2.4表面应力与裂纹萌生
械密封除了磨损失稳的失效之外，还有一种就 从机械密封失效类型的总结可以知道，机
蚀，碳石墨、浸渍树脂碳石墨等由于材料不均质而受热膨不均匀导致泡疤，材料热处理不当而产生的内部应力等：其二是加工形状复杂而产生的加工应力，如台阶槽形的拐角处的表面除了空蚀的危险外，两相流的存在会带来的存在都将为应力蚀、缝隙腐蚀等创造了条 应力，动压槽复杂形状的残余应力等，这些应力易萌生裂纹，导致密封失效.
4核主泵端面密封的多指标评价
静压型端面密封运行稳定，但是供水系统可靠性要求高，其在故障状态的性能较差，动压型机械密封虽然解决了静压型机械密封的部 分缺点，但是，其加工成本高，工作过程中出现应力集中的可能性大.动静压结合型端面密封，虽然吸取了两个方面的优点，但是也相对静压型机械密封带来了一些缺点.因此，从不同方面分析，各自都有相应的优点.本文，采用 故障模式及影响分析方法（FMEA），分别对锥向静压型机械密封、波动动压型机械密封以及槽型动压型机械密封进行评价.然后对极端工况包括突然密封流体的断供、泄压、FMEA表中这三种机械密封的风险顺序度的大说明越不可靠，据此得到应用于核主泵机械密封可靠性最优的选择.
首先，分别对锥形端面机械密封、波度端面面机械密封等四种核主泵机械密封进行故障模 机械密封、槽形端面机械密封以及表面织构端式及影响分析（FMEA），如表2所示.四种机械密封考察的失效模式相同，所不同之处是故险顺序度也不一样，表格中每种失效模式的评 障频度、产重程度以及不易测度，因此它们的风分中的四行依次对应锥形端面机械密封、波度端面机械密封、槽形端面机械密封以及表面织构端面机械密封.
