主泵轴封水回流温度高原因分析及应对措施

【摘 要】本文介绍了核电厂主热传输泵及轴封系统的工作原理，分析了主泵轴封水回流温度高的可能原因及其应对处理措施，并借鉴了该事件的外部经验反馈。

【关键词】主热传输泵；轴封系统；处理措施；经验反馈

1 主热传输系统概述

主热传输系统是由主热传输泵（以下简称主泵）、蒸汽发生器、出口集管、入口集管、压力管式燃料通道及相应连接管所组成的闭式环路。加压重水冷却剂在主热传输系统中循环，将燃料通道中的核燃料裂变产生的热量传递到蒸汽发生器二次侧的轻水，使其产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮发电机发电。

2 设备描述

2.1 主泵

主泵位于蒸汽发生器和反应堆入口集管之间。泵为立式、单级、双蜗壳离心泵，有一个垂直的入口管及两个出口管。在正常运行工况下，泵入口压力为9.44MPa，出口压力为11.25MPa，流量为2228l/s。每台泵由一台11.6kV的感应电动机驱动。为避免反应堆厂房内产生飞射物事故，在主泵电机上不设置飞轮，通过增加电机转子主轴质量方式，使其转动惯量为1825kgm2，这样确保了当电机失去电源时，泵惰转流量下降速率与停堆后反应堆功率下降的速率相匹配，有效地导出堆内余热和衰变热。当主泵惰转停止后，主热传输系统靠自然循环的方式以蒸汽发生器为热阱继续导出堆芯的衰变热。

2.2 主泵电机

每台主泵带有一台6.7MWe的感应电机。该感应电机属鼠笼式，靠空气和水来冷却。每台电机有两个径向轴承和一个双重作用的止推轴承，均用油。起动时，顶轴油系统就将高压油输送至止推轴承的两侧。顶轴油系统在主泵启动和惰转期间为泵提供。

2.3 主泵轴封系统

主热传输系统中有四台主泵，这四台主泵正常都是在高温高压的环境下运行，所以每台主泵都设计了一套包括三道机械密封和一道备用密封的装置防止冷却剂泄漏，而当主泵高速转动时机械密封的各个部件之间会相互摩擦发热，所以需要主泵轴封注入系统向主泵机械密封和轴承等部件连续注入干净、低温的冷却水进行冷却和来防止这些设备的损坏。

3 主泵轴封回流温度升高现象及可能原因分析

3.1 主泵轴封回流温度升高现象

2014年8月8日，某机组1#主泵轴封回流水温度在40分钟左右的时间从61.2z氏度逐渐上升到近67摄氏度，随后温度有所下降并缓慢波动。在7月30日也发生过类似波动，在轴封回流水温度波动期间，三级密封的压差也发生波动，但泵的其他参数均保持原有状态，没有明显改变。

根据主热传输系统运行手册98-33000-OM-001规定：主泵轴封冷却水出口温度高报警值为80摄氏度，当温度达到93摄氏度，且满足下列1）或2）条件之一，就需要停堆、停泵并对主热传输系统进行降压冷却。

1）下列参数中的任意一个同时出现恶化趋势：

主泵各级密封腔室压力

主泵轴封注入流量

主泵轴封回流温度

主泵电机上/下轴承壳振

主泵X/Y向轴位移

主泵轴承壳振

2）确认不是仪表故障。

因此，虽然1#主泵的轴封回流温度距离报警值乃至停泵值仍有较大裕量，但是仍然应该加强监视避免参数突然恶化，甚至导致停泵、停堆的后果。

3.2 主泵轴封回流温度升高可能原因分析

3.2.1 机械密封故障

机械密封故障产生的主要原因有：由于高压差存在，造成磨损；由于注入水中颗粒的存在，造成磨损；由于高温或瞬态高温的存在，造成磨损和变形。

第一级或第二级机械密封失效：当主泵第一级或第二级密封前后压差低于1MPa超过1分钟且该主泵剩余两级密封前后压差同步上升且大于4.2MPa时，可以判定为第一级或第二级机械密封失效。这种工况下可以保持主泵继续运行，但由于另两道完好的机械密封的压差和承受的载荷增大，发生故障的概率也相应增大，所以需密切地监视另外2道机械密封的运行状况。如果另外两道机械密封也出现恶化，则需尽快手动触发停堆，停运出现故障的主泵并将机组置于冷态卸压状态。

第三级机械密封失效：当主泵第三级密封前后压差低于1MPa超过1分钟且该主泵第一级和第二级密封前后压差同步上升且大于4.2MPa时，可以判定为第三道机械密封失效。由于第三级密封失效后，重水往重水收集系统的泄漏将会大幅度增加，并会有少部分重水会泄漏到外界，这时需降功率，将机组置于冷态卸压状态。

两道机械密封失效：当主泵有两道机械密封的前后压差小于1MPa超过1分钟且另一道密封前后压差大于7.5MPa时，可以判定为该主泵有两道机械密封同时失效。这种工况下剩下完好的那道机械密封几乎独自承受整个系统的压降，尽管在设计上每一级机械密封都可以承受全压，但故障的概率大大增加了。为了防止最后一道机械密封受损，发生小LOCA事故，所以需尽快手动触发停堆，停运出现故障的主泵并将机组置于冷态卸压状态。

三道机械密封同时失效：当主泵的三道机械密封的前后压差都小于1MPa超过1分钟时，可判定为该主泵三道机械密封同时失效。这种工况下密封冷却水流将旁通第一、第二、第三道压力分配环管，而直接进入备用机械密封内，备用密封所承受的压力接近于整个热传输系统的压力。由于备用机械密封不是完全防漏的，所以部分重水可能会泄漏和蒸发出来，而备用机械密封也一旦失效，会有大量重水流到厂房内，相当于主系统的LOCA事故。这时需尽快手动触发停堆，停运出现故障的主泵并将机组置于冷态卸压状态。

3.2.2 轴封注入流量降低或失去

如果正常轴封注入流失去，系统本身就会转入备用注入状态。主泵运行时来自热传输系统的备用轴封注入流先进入机械密封冷却器进行冷却，然后到在流过三道密封返回到重水储存箱。

如果正常轴封注入失去，则主热传输泵靠备用轴封注水系统的运行时间最多只能24小时，以避免泵的机械密封发生故障。因为此时备用轴封注入流直接来自主热传输系统，没有经过过滤器过滤，水中的固体微粒会累积在机械密封内。这些固体微粒有可能损伤机械密封。

3.2.3 失去冷却水

失去循环冷却水将导致正常轴封注入水失去冷却。虽然当主泵运行时，由于泵辅助叶轮和轴承对轴封水流的摩擦加热作用，机械密封的温度会缓慢升高，但由于来自上充泵出口的轴封注入水温度仅为40℃左右，所以在短时间内轴封入口混合流的温度一般不会超过93℃的停泵温度限值。

如果60分钟以后，再循环冷却水系统仍无法恢复对轴封冷却器的冷却，则必须停堆停机，并立即停运受影响的那台主泵和另一环路上相对应的一台主泵。

3.2.4 温控回路故障

由于仪表故障导致温度输出波动的虚假信号。但是仪控回路全面检查标定需要停泵，因此只能利用大修或者小修期间对温控回路进行全面的检查标定。但是从温度曲线变化及历史检修情况判断，该温控回路显示的温度应该是正常的。

4 外部经验反馈

1）2008年8月26日，某国外核电站一号主泵因机械密封回流水温度高，且同时出现密封压力大幅度波动并触发压力报警而停运该泵。其密封水回流温度为63摄氏度，密封压力最高达到5.5MPa。该机械密封的运行时间远低于设计寿命，分析认为是机械密封内有杂质进入，导致密封面磨损并引发密封泄漏失效。

2）1994年12月20日，国外某核电站的P9/P10号主泵，因机械密封回流水温度高而停运。P10的机械密封回流水温度达60摄氏度以上，同时机械密封压力出现了剧烈波动。最后停堆更换机械密封消除缺陷。