CPR1000压水堆核电站核级泵用机械密封鉴定浅谈

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科华核电技术研究院有限公司 作者:王超

  详细介绍适用于CPR1000压水堆核电站核级泵用机械密封(除主泵机械密封外)样机的鉴定方法、鉴定内容、验收准则及一般鉴定程序,已成功应用于我国核级泵用机械密封样机的研制。实践经验表明,该鉴定规则具有很强的可操作性和普遍的可接受性,在核级泵用机械密封国产化过程中发挥重要作用。

  随着核电行业的迅猛发展,对核电装备的国产化要求越来越高。近年来我国核电装备国产化水平迅速提高,基本实现了反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件和驱动机构、反应堆主管道、核二三级泵阀、K3电机等一批关键设备的自主制造。CPR1000核电机组是我国自主设计、自主施工、自主建设的核电品牌,其核电装备大量使用国内产品,关键设备国产化率达到80%以上。但同时,很多关键设备的零部件、重要材料仍然依赖进口,如主泵机械密封、K1级电机、高温耐辐照橡胶圈等。近两年,为了推动核电装备国产化向深度和广度发展,国家对核电装备重要零部件的国产化给予大力支持,成功实现了核级泵用机械密密封、阀门驱动机构等重要零部件的国产化。

  本文针对核级泵用机械密封(除主泵机械密封外)国产化过程中的鉴定进行介绍,阐述机械密封的鉴定方法、鉴定内容、验收准则以及相关文件的编制等内容。

1、核级泵用机械密封鉴定概述

  1.1、基本结构形式

  对于核级泵用机械密封的结构设计,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为除考虑使用工况、安装空间等方面的因素,根据核电站特殊的使用条件,还需考虑以下四个方面:①放射性废物是否会增加;②维修时间尽量短,尽量减小维修人员的受辐照剂量;③具有高度可靠性;④通过密封正常泄漏的可能存在的放射性废物是否会对环境造成潜在污染。

  综以所述,尽管双端面、串联等形式的机械封密封效果较好,但其安装空间较大,维修时间相对增长,并引入封液,需额外增加封液系统,使机械密封系统复杂化,导致可靠性下降并增加放射性废物。因此,在满足使用要求的情况下,核泵用机械密封(除主泵机械密封外)尽量选用单端面、集装式密封结构。经过大亚湾、岭澳核电站多年的使用业绩证明,单端面、集装式的机械密封能够很好满足核级泵的使用要求,因此,在CPR1000机组的核级泵用机械沿用单端面、集装式密封结构(表1)。

表1 CPR1000机组核级泵用机械密封结构形式

CPR1000机组核级泵用机械密封结构形式

  1.2、鉴定的定义

  从广义的设备鉴定来说,鉴定即为确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求的证据的产生与维持。作为核级泵重要且脆弱的零部件的机械密封来说,鉴定就是确保不会因为机械密封的失效引发核级泵的故障和不可用,保证核级泵在正常及事故工况下满足预定的性能要求。

  1.3、鉴定方法

  对于机械密封的研发或进行重大改动的机械密封,需采用试验、类比、分析及经验反馈的方法对其进行鉴定。对于机械密封的鉴定可单独使用试验或类比方法对机械密封进行,但不能单独使用分析或经验反馈法,此两种方法须结合试验或类比法使用。

  (1)试验法,把一个或一类能代表电站现场使用的机械密封进行一系列试验,这些试验参数应能够模拟实际运行工况及电站运行中可能出现的事故环境工况。

  (2)分析法,综合采用定性或定量推理方法证明设备执行其安全功能的能力,该方法用来鉴定由于尺寸、环境参数以及其他限制原因不可能采用试验法的设备。

  (3)类比法,应用逻辑推理的方法证明要鉴定的设备与一已经通过鉴定的设备类似。

  (4)经验反馈法,根据在常规工业中的情况来推断在核电站中执行其安全功能的能力。

  (5)混合法,主要是混合使用试验法、分析法、经验反馈法等方法进行的设备鉴定。

  1.4、鉴定内容及要求

  CPR1000核级泵用机械密封试验法鉴定的具体内容可分为基准试验与检查、极限试验、性能随时间变化试验与事故试验等阶段。

  1.4.1、基准试验与检查

  在鉴定试验开始前,需对机械密封零部件进行必要的目视检查及关键零部件的关键特性参数的检查,如O形圈的内径、截径与硬度、弹簧的自由高度与刚度、密封环的原始尺寸、机械密封额定工况下的运行力矩等。对于高转速(3600r/min以上)的机械密封,需要进行动平衡检查。进行以上的检查主要目的是确保机械密封的零部件符合设计要求且完好和确定设备的基准参数,为后续的检查做参考。

  对机械密封的基准试验需要完成静压试验与运转试验。静压试验,其试验压力为产品最高使用压力的1.25倍,保压30分钟。运转试验,其试验压力为产品最高使用压力,连续运转5小时。

  对于CPR1000机组使用的机械密封静压试验和运转试验泄漏率的推荐值见表2。其中CPR1000机组中所用核二级、核三级泵的轴径范围基本确定,因此不再考虑轴径的影响。

表2 基准试验泄漏率推荐值

基准试验泄漏率推荐值

  1.4.2、极限工况试验

  由于核电站厂外电源以及厂内应急电源供电频率均存在一定的变化范围(表3),对于需要厂外电源以及厂内应急电源供电的设备在设计时需要考虑由于电源频率波动而带来的影响。核二、三泵在设计时应考虑由于供电频率波动而引起的超速,同样,对于泵用机械密封也需考虑供电频率波动而引起的超速。对于机械密封的鉴定,也应模拟这一工况,以验证机械密封在超速工况下的性能。

  对于CPR1000机组而言,其所有的核二级泵以及设备冷却水泵、乏燃料水池循环泵等核三级泵所用机械密封,需完成事故工况下的电源最高频率(57.5Hz)对应极限转速试验,并运转20分钟。

表3 电源频率的正常和异常范围

电源频率的正常和异常范围

  1.4.3、性能随时间变化试验

  进行性能随时间变化试验的目的是为了检验设备的可靠性、设备性能随时间变化的数据以及暴露无法预计的设计缺陷,而不是通过试验来确定设备运行寿命。这些试验的种类一般是由设备显著老化机理的种类来确定。

  对于机械密封需要考虑由于运行工况变化所引起的各类应力对其性能的影响,以及通过长期的运行试验来获得设备性能随时间变化的数据并验证设计的合理性。

  (1)变工况试验

  变工况试验需完成三个过程:①温度、转速固定(额定工况),压力(P)逐级变化;②压力、温度固定(额定工况),转速(n)逐级变化;③压力、转速固定(额定工况),温度(T)逐级变化。以上每个过程至少进行5个小时,参数由最低至最高点至少要求包含4个级别,在最高参数点至少运行1个小时。如图1所示。试验期间的泄漏量推荐值不超过表2中运行试验泄漏率的两倍。

  (2)长期运行试验

  为获得设备性能随时间变化的数据及验证设计的合理性,核级泵用机械密封至少进行1100小时的长期运行试验,试验期间进行不少于50次启停。长期运行试验条件应尽量满足要求:①转速与泵正常转速相同;②与泵运行工况相同的压力与温度;③与泵运行期间相同的压力与温度变化;④试验期间径向轴位移幅度与泵组运行时相当(若可能);⑤对于余热排出泵、上充泵、安全壳喷淋泵及低压安注泵所用机械密封的长期运行试验还应包含至少400小时的高温试验(泵组可能运行的最高温度)。试验期间需要定期测量机械密封的振动及泄漏量,试验后测量密封端面磨损量。

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图1 试验步骤

  1.4.4、事故试验

  事故试验的目的是为了验证设备能够地震荷载下(要求时)及事故环境条件下能够完成其规定的功能。但由于机械密封是地震不敏感设备,不需要对其在地震荷载下的功能进行论证,其主要原因为:①机械密封一般安装在泵轴与密封腔之间,泵轴的载荷一般通过轴承来传递,不是机械密封,因此机械密封在设计上就不在载荷(包括地震力)的传递路径上[3];②机械密封一般设计有弹性补偿元件,对于地震引起的振动具有较强的抵抗能力。

  (1)辐照试验

  由于核级泵所用的机械密封所接触输送液体具有不同程度的放射性,因此需要对使用的材料进行必要的验证,特别是用于事故缓解的安全设施泵组所用的机械密封。对于CPR1000机组中余热排出泵、上充泵、安全壳喷淋泵以及低压安注泵所用机械密封需要考虑材料耐辐照的要求,特别是辐照敏感的橡胶密封圈以及其他非金属部件。这些零部件均需完成特定剂量的辐照试验,以证明其能够满足机械密封的使用要求。

  (2)热冲击试验

  在核电站发生失水事故或蒸汽管道破裂事故下,会启动安注系统、安全壳喷淋系统对事故进行缓解,由于换料水箱(PTR水箱)的容积有限,高压安注泵(上充泵)、安全壳喷淋泵、低压安注泵的供水水源最终会从换料水箱跟换到安全壳地坑,从而进入安注、安全壳喷淋的再循环阶段。然而,水源的切换会造成设备所输送介质温度的瞬时改变,瞬时温差可能会高达到113℃。在事故工况下,余热排出泵也有可能经受如图2所示的介质热冲击。

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图2 余热排出泵承受的温度波动

  因此,为了验证机械密封具有耐冷热冲击的能力,余热排出泵、高压安注泵(上充泵)、安全壳喷淋泵以及低压安注泵用机械密封需要进行耐热冲击试验。对于CPR1000机组,高压安注泵(上充泵)、安全壳喷淋泵、低压安注泵和余热排出泵所用机械密封热冲击试验条件如下:①对于高压安注泵(上充泵)、安全壳喷淋泵、低压安注泵用机械密封,需要进行不少于3次的热冲击试验,试验介质入口水温由7℃瞬时(≤10s)升高到不低于120℃,并在该温度运行4h;然后降至60℃,并在该温度运行4h;②对于RRA泵用机械密封,热冲击试验分为两个阶段,第一阶段试验介质温度由20℃瞬时(≤10s)升高到不低于190℃,并在该温度上运行4h,然后降至60℃,在该温度运行4h;第二阶段试验介质温度由190℃瞬时(≤10s)降低到不高于80℃,并在该温度运行4h。上述试验至少反复进行3次。

  (3)杂质试验

  当电站进入再循环阶段时,水源由从换料水箱跟切换到安全壳地坑,而地坑水含有大量的杂质,对机械密封的耐磨蚀、耐杂质颗粒的能力提出了较高的要求。所以需要对机械密封的耐磨蚀、耐杂质颗粒的能力进行试验研究。对于CPR1000机组,高压安注泵(上充泵)、安全壳喷淋泵、低压安注泵和余热排出泵用机械密封,至少需进行100小时杂质试验,泵杂质试验条件为[6]试验介质温度不低于120℃。试验介质特性为:①过滤阈值,网格过滤器2.1mm×2.1mm;②重量浓度为500mg/kg;③杂质颗粒混合物组分为,以2.1mm过滤的碎混凝土300mg/kg,保温材料(碎玻璃棉)100mg/kg,砂60mg/kg,碎玻璃10mg/kg,脱落油漆30mg/kg。

2、鉴定文件

  在完成上述试验后,应编写鉴定总结报告,作为机械密封样机鉴定的结论性文件,鉴定总结报告至少包括下述内容:

  (1)已鉴定样机的标识资料;

  (2)确定鉴定的组织机构名称;

  (3)确定鉴定的方法和特定规格书的基准文件;

  (4)各个鉴定阶段的记录和结果;

  (5)鉴定期间发生的事件(不满意的结果、设备故障)记录,以及后续行动的简明报告(修改说明、重新开始试验的条件、补充试验等);

  (6)宣布样机质量鉴定要求或提出不符合项的要点。

3、小结

  本文对核级泵用机械密封的鉴定方法、鉴定内容及鉴定程序作了重点阐述。鉴定的内容可分为基准试验与检查、极限试验、性能随时间变化试验与事故试验等几个阶段。本文论述的鉴定规则具有很强的可操作性和普遍的可接受性,已经实际指导了多种核级泵用机械密封的鉴定,对核级泵用机械密封实现国产化具有重要的指导意义。

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