主泵轴封注入系统风险分析及处理措施
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【摘 要】主泵运行在主热传输系统高温、高压的环境下，因此每台主泵都通过一套多级的轴封装置对轴进行密封，防止冷却剂泄漏。同时需要持续注入干净、低温的冷却水对轴封装置进行冷却和润滑以防止设备损坏，主泵轴封的性能将直接影响主泵的运行，轴封失效极有可能导致冷却剂泄漏，影响主系统压力边界的完整性，并造成放射性危害。本文从主泵轴封的结构特点出发，主要分析了可能发生的主泵轴封流量异常、冷却异常、轴封回流阀意外关闭和机械密封失效等故障工况的现象以及可能导致的风险，并提出了相应的处理措施。
【关键词】主泵轴封系统;故障;风险;处理措施
中图分类号： TH38 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0125-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.046
0 概述
在主热传输系统中有四台主泵，它们是功率为9000马力的大功率离心泵，位于蒸汽发生器和反应堆进口集管之间，其主要作用是为冷却剂提供循环动力。主泵为立式、单级、双涡壳离心泵，有一个垂直的入口管和两个出口管，其驱动电机功率为6.7MW，由四级电源供电。正常运行工况下，主泵的入口压力为9.42MPa，出口压力为11.25MPa，流量为2228L/s。一回路通过主泵建立主系统的循环流动，把反应堆堆芯中的热量带出。
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，所以需要有这样一个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润滑来防止这些设备的损坏，而主泵轴封注入系统就担当起这样的功能（正常运行时参数见附表1）。其具体的功能主要有：
★提供低温、干净的轴封注入流以冷却和润滑主泵轴密封和主泵轴承;
★当正常轴封注入流失去时能提供备用注入流以保证充分的冷却;
★当主系统疏水或充水时加入氮气和提供排气的手段;
轴封注入流来自上充泵出口的低温重水，经过轴封系统过滤器后分四路供给四台主泵。进入每台主泵的轴封注入流分别经过降压盘管、轴封注入流量计、轴封热交换器后又分成两路，50%的注入流经过主泵辅助叶轮、主泵轴承后进入主泵泵腔后回到主系统，另50%的注入流分别通过3道主泵的机械密封和轴封回流阀后回到重水储存箱中。
机械密封排气和轴封过滤器分别与热传输重水收集系统相连。其中机械密封通过排气阀与热传输重水收集系统连接，正常运行时排气阀是关闭的，在执行主泵轴封系统充水放气时要开启这些阀门。另外，在轴封回流阀故障关闭时，可以通过打开这些机械密封放气阀建立部分轴封流，防止轴封损坏。轴封过滤器与热传输重水收集系统是通过轴封过滤器的疏水阀和排气阀相连的，上述阀门正常运行时是关闭的，在轴封过滤器疏水或充水时打开。
1 主要设备
主泵轴封系统主要由两个100%的过滤器、四个轴密封腔室（每台主泵各一个）、四个轴密封冷却器、降压盘管、流量计、四个轴封回流阀等设备组成，
2 主泵轴封系统的正常运行工况
2.1 主泵运行
主泵正常运行时，轴封注入流来自上充泵的出口，经过轴封过滤器过滤净化之后，分成四个支路，分别供给四台主泵的轴封系统。每个支路的轴封注入流，经过一个降压盘管，将压力降至接近主系统压力，然后来到轴封冷却器的入口，与轴封再循环流一起进入轴封冷却器管侧，由壳侧的再循环冷却水进行冷却。冷却器出口的轴封流进入轴腔，在辅助叶轮的作用下分成两路：一路向上进入各级机械密封腔室，对机械密封装置进行冷却和润滑;并通过减压盘管平均分配压力，使每级机械密封均承受约3.3MPa的压差，然后经轴封回流阀返回主系统重水储存箱，这路流量约占冷却器出口流量的3.3%。另一路流量向下流过辅助叶轮和轴承，在对辅助叶轮和轴承进行冷却和润滑后又分成两路，占冷却器出口流量约93.3%的流量再循环至冷却器入口与新的轴封注入流混合，其余3.3%的流量进入泵腔。
因此正常运行时，新的轴封注入流只需补充回流至重水储存箱的流量和进入主泵泵腔的流量损失即可，约占冷却器出口轴封流量的6.6%。目前三期每台主泵的轴封注入流约为0.2L/s左右，最低不能低于0.152L/s。
2.2 主泵停运
主泵停运后，轴封回流阀延时1分钟关闭。主泵停运后如果回流阀立即关闭，那么在主泵惰转期间，由于回流丧失，第二、三级机械密封腔室内的压力将很快上升到与第一级机械密封腔室内的压力相同。第一、二级机械密封的前后压差约为零，而第三级机械密封则要承受整个主系统的压力，很容易造成第三级密封的损坏;另外由于轴封冷却流无法进入机械密封腔室，也会造成密封腔室温度上升。主泵停下来后，若回流阀还保持开启，就形成了从主泵泵腔到主系统重水储存箱的通路。如果此时失去正常的軸封注入流，泵腔内的高温重水就会流入各级密封腔室，使机械密封损坏。
当主泵停止转动，轴封回流阀关闭后，辅助叶轮也随之停止转动，此时机械密封腔室内处于满水等压状态。由于主泵停转后，密封腔室内基本不会产生热量，因此密封腔室的温度保持不变;并且主系统压力下降，第三级密封所要承受的压差也比较小。辅助叶轮停转之后轴封再循环流量丧失，轴封注入水全部向下进入主泵泵腔。在这种状态下，主系统可以保持热态，并且可以启动主泵。
3 主泵轴封系统的风险分析及处理措施
3.1 轴封注入流流量异常
轴封注入流流量异常（主要指流量下降），将会影响轴封冷却效果，使得对机械密封、导向轴承等设备的冷却和润滑能力变差，长期在此工况下运行，将增加机械密封和轴承等部件失效损坏的概率，故应该提高对轴封流量异常下降现象的警觉性。 主泵轴封过滤器的材质为纸质滤芯（设计最高承温93度，最高承压15.2MPa），当高温或高压水进入过滤器后，会造成滤芯损坏然后进入轴封系统，堵塞机械密封入口处的降压盘管，使得轴封流量降低。
▼主要处理措施有：如果投入运行的过滤器压差出现异常变化，则将过滤器切换至备用过滤器，密切监视轴封流量，现场调节轴封流量调节阀，如果调节阀开到最大仍不能满足流量要求，则执行失去轴封注入流处理措施。
3.2 失去轴封注入流
主泵运行时，当正在运行的上充泵跳泵而备用泵没有及时启动，就有可能发生失去轴封注入流的事故。失去轴封注入流后，流量计指示为零，并且轴封过滤器出口逆止阀关闭。此时，备用轴封注入流将启动，来自主泵泵腔的主系统的重水向上为机械密封提供冷却和润滑。主要流程为，来自泵腔的流量在辅助叶轮的作用下，与再循环流量一起进入轴封冷却器，冷却后进入轴腔：一路向上对各级机械密封进行冷却和润滑后回到主系统的重水储存箱;另一路向下，流过辅助叶轮和导向轴承后，完全变成再循环流量，与来自泵腔的流量混合，又进入轴封冷却器。来自泵腔的流量只要补充回到重水储存箱的这部分流量即可。
这种运行模式下，主泵可以较长时间的运行，但存在两个问题，一是正常轴封注入流的温度远低于泵腔的重水的温度，因此轴封冷却器的出口温度会上升，但由于轴封注入流占总流量的比重较小，温度上升幅度不大，在可接受的范围。二是来自主泵泵腔的水没有经过轴封冷却器的净化，可能存在微小的固体颗粒，由于泵轴的转速为1490rpm，并且机械密封要承受约3.3MPa的压差，因此微小的颗粒杂质也可能对机械密封造成损坏。
▼主要处理措施有：监视轴封冷却器的出口温度，监视各级机械密封腔室的压力和各级机械密封的压差，并且要尽快地恢复正常的轴封注入流。如果超过24小时轴封注入流仍然没有恢复，为防止颗粒杂质对机械密封造成过大的损害，要将反应堆停堆，并且停运主泵。
主泵停运后如果失去轴封注入流，主系统的重水就会经过主泵进入机械密封腔室中，注入流量相当于第三级机械密封后的引漏流量。但注入流量很小，并且主泵停运后机械密封腔室内不产生热量，因此对机械密封腔室影响不大。此时主系统仍然可以保持热态，但不建议启动主泵。
3.3 失去RCW冷却水
主泵运行时，如果失去RCW冷卻水，轴封流量失去了主要的冷却来源。虽然轴封注入流可以提供一部分冷却，但轴封注入流量只占整个轴封流量的6.6%，无法完全带走主泵运行时产生的热量。因此会造成轴封冷却器的出口温度上升，进而导致机械密封腔室和辅助叶轮以及主泵轴承的温度上升。
▼主要处理措施有：严密监视轴封冷却器的出口温度，防止其达到停泵值（93oC）;监视主泵上推力轴承的温度，当上推力轴承温度达到110oC时，主泵自动跳泵;监视各级机械密封腔室的压力和机械密封的压差，防止温度升高对机械密封造成损害;同时要尽快恢复RCW的冷却，如果超过1小时RCW仍然没有恢复，就要停堆停泵。
主泵停运后如果失去RCW，虽然丧失了主要的冷却来源，但主要的热源也没有了，因此轴封注入流已经可以完全满足冷却要求。轴封注入流进入轴腔后，向上的一路流过机械密封，对机械密封进行冷却后从第三级机械密封后的引漏管线流到3381系统中;向下的一路对辅助叶轮和轴承进行冷却后回到泵腔。这种工况下主系统可以保持热态，但必须在恢复RCW后才能启动主泵。
3.4 同时失去轴封注入流和RCW冷却水
主泵运行时，如果轴封注入流和RCW冷却水同时失去，通过来自主泵泵腔的备用注入流建立注入流量。但是由于同时失去了正常注入流和RCW两路冷却流量，轴封冷却器的出口温度会很快上升，进而机械密封腔室和主泵轴承的温度也会很快上升。
▼主要处理措施有：严密监视轴封冷却器的出口温度，防止其达到停泵值（93oC）;监视主泵上推力轴承的温度，当上推力轴承温度达到110oC时，主泵自动跳泵;监视各级机械密封腔室的压力和机械密封的压差，防止温度升高对机械密封造成损害;同时要尽快恢复轴封注入流和RCW冷却水，如果超过15分钟RCW仍然没有恢复，就要停堆停泵。
4 结束语
主泵轴封系统的正常运行，是主泵稳定运行的重要保证，亦即机组安全稳定运行的前提保障之一。如果主泵轴封系统出现异常，不仅可能对机械密封、主泵等设备造成损害，甚至有停堆停机的风险，本文就主泵轴封注入系统的一些问题进行了剖析，并提出了作者个人的处理建议，希望对机组的日常工作有所帮助。
【参考文献】
[1]CANDU-6核电厂系统与运行-初级课堂培训教材，原子能出版社，2010年.
[2]CANDU-6核电厂系统与运行-初级岗位培训教材，原子能出版社，2010年.
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