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壓水堆核電站核二級安全噴淋泵用機械密封研制

文檔作者：劉偉1 2 黃美李龍張君凱王旭文檔來源：四川日機密封件股份有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年02月27日
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Hvdraulics Pneumatics&amp;amp; Seals／NO．07．2013
壓水堆核電站核二級安全
噴淋泵用機械密封研制
劉 偉1,2，黃 美 ，李
(1．~t J Jl大學化工學院，四川成都610064；
龍 ，張君凱 ，王 旭
2．四川日機密封件股份有限公司，四川成都610045)
摘要：文章總結了一種新型研制的壓水堆核電站核二級安全殼噴淋泵用機械密封的技術特點，從設計輸人、條件分析、方案選型等方
面進行了詳細地介紹，并利用有限元分析對端面狀態(tài)進行了分析與優(yōu)化設計。研究表明，合理選型和設置密封參數，可以實現(xiàn)在該泵的
各類事故特殊工況下執(zhí)行預期功能。
關鍵詞：核電站；安全殼噴淋泵；機械密封
中圖分類號：TB42 文獻標識碼：A 文章編號：1008—0813(2013)07—0009—04
Development of M echanical Seal for Containment Spray Pump
of PW R Nuclear Power Plant
LIU Wei ~,HUANC Mei2,LI Lo ，ZHANG Jun-kai2，WANG Xu
(1．Chemical Engineering of Sichuan University，Chengdu 610064，China；
2．Sichuan Sunny Seal Co．，Ltd．，Chengdu 610045，China)
Abstract：This article summarizes the technology features of a new development mechanical seal for secondary containment spray pump of
PⅣR Nuclear Power Plant， introduces the design entry， conditions， program selection and other aspects in detail， and does the finite
element analysis and optimization design on the face state．The results show that we can perform the intended function under all kinds of
accidents conditions of the pump by reasonable selection and sea]parameters setting．
Key words： nuclear power plant； containment spray pump； mechanical seal
O 引言
核電是經濟性好、可規(guī)?；l(fā)展的重要綠色能源
之一。在負荷中心規(guī)劃建設核電機組，有利于減少環(huán)境
污染。減輕煤炭運輸壓力，對滿足地區(qū)電力需求增長、
保障能源安全具有重要的意義
國家積極發(fā)展核電能源的戰(zhàn)略和自主發(fā)展核電的
方針．給相關核電設備制造企業(yè)迎來了千載難逢的發(fā)
展機遇。積極研發(fā)核級泵用機械密封，對于打破國外公
司長期壟斷核級泵用機械密封市場的格局．提高我國
百萬千瓦級核電裝備的自主化率．促進我國核電關鍵
設備國產化進程的加快．有著重要的意義。
1 設備概述
1．1 安全殼噴淋泵概述【’l
安全殼噴淋泵是核電站中的核二級泵．是安全殼
收稿日期：2013—05—28
作者簡介：劉偉(1986-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事流體機械
與機械密封的研發(fā)及應用工作。
噴淋系統(tǒng)EAS的組成部分。它位于安全殼內，系統(tǒng)的主
要功能是在反應堆冷卻劑失水事故以及安全殼內蒸汽
管線破裂情況下，將安全殼內壓力和溫度降低至可接
受水平，以保持安全殼的完整性。
1．2 安全殼噴淋泵機械密封的工況閉
1)工作參數
安全殼噴淋泵輸送介質參數如表1所示。
表1 介質參數表
9
液壓氣動與密封／2013年第07期
由于該機械密封組件是安全殼噴淋泵在各種運行
工況下所必需的輔助設備．故應與泵機組本身具有相
同的可靠性
機械密封所屬分類為質保等級Q1、抗震類別1A、
清潔度等級B、應耐輻照。
2 運行條件
泵轉速1480r／min
31運行要求
泄漏量Q：穩(wěn)定運行時Q~<20mL／h；啟停時Q≤
40mL／h：極限工況穩(wěn)定時p≤60mL／h
密封件使用壽命不低于16 000h
41功能要求l3j
安全殼噴淋泵抗震等級為lT類．因此要求機械密
封組件在發(fā)生OBE和SSE地震期間和之后．都能正常
工作 機械密封壓蓋要有足夠的剛度以避免變形 密封
壓蓋、螺釘等，應能承受工作溫度下的壓力安裝載荷。
所有靜止的密封件在泵運轉時應可靠地防止與軸和軸
套偶然的接觸
1．3 試驗考核[41
1)熱沖擊試驗
在最大設計壓力(3MPa)下，以工作介質，進行溫度
從7℃上升到120~C，梯度為28℃／min的熱沖擊試驗。
2)雜質試驗
在最大設計壓力與溫度下． 以帶有固體雜質的
1．25％硼酸溶液為工作介質．對機械密封進行轉速為
1480r／min的持續(xù)性試驗
3)耐久性試驗
在額定工況下．隨機組運行200h
2 選型與設計
安全殼噴淋泵的機械密封(見圖1)采用的是單端
面、平衡型、靜止式、集裝式的結構型式。靜密封環(huán)應設
計成封閉運轉間隙．以防止密封和軸之間的泄漏。密封
的任何泄漏都可收集起來，并通過專門管線疏排。在密
封損壞時．降壓環(huán)應能夠將泄漏限制在不影響泵繼續(xù)
運行的水平。機械密封易于接近維修．簡單拆卸軸承或
密封盒就可以更換．而無須移動電機
2．1 傳動與定位
針對安全殼噴淋泵的所有運行工況與其高可靠性
要求．我們和泵廠項目工程師經過多次磋商與論證．將
軸套傳動、軸向定位兩種功能分置．軸套傳動方式為鍵
傳動．軸向定位方式為軸向臺階+螺母鎖緊．放棄普通
機械密封大量使用的傳動環(huán)或楔形抱軸器的形式．從
而可更好地應對熱瞬態(tài) 況對機械密封的影響．解決
10
了在特殊工況下(尤其在熱沖擊時)傳動環(huán)、楔形抱軸
器與軸之間線脹系數不一致時引起松脫。
1一軸套2一動環(huán)3一靜環(huán)4一靜環(huán)座 5-0形圄 6一掩蓋7一節(jié)流外
圖1 機械密封剖面圖
2-2 熱瞬態(tài)的特殊性要求
針對熱工況的要求．著重考慮高溫熱沖擊對密封
結構及材料(金屬、橡膠材料、摩擦副材料)的影響，考
慮各零件在高溫差工況下熱膨脹和變形的影響。采用
先進的有限元分析技術．為安全殼噴淋泵機械密封的
詳細設計提供指導．并進行趨勢性的驗證。
2．3 短時抽空及干摩擦工況
該泵為立式筒袋式多級泵．在泵組啟動時會出現(xiàn)
短時負壓工況．并導致摩擦副端面無潤滑
一是采用靜止式的機械密封．避免負壓時抽空給
機械密封帶來的危害：二是采用熱導率高與機械強度
高的石墨材料，降低其環(huán)上熱梯度．減少熱變形，可延
長使用壽命與提供可靠性
2．4 彈性緩沖的結構型式
采用浮裝式組件的結構．并在動環(huán)與靜環(huán)背面與
側面都設置O形圈。軸向、徑向都是可以依靠O形圈進
行彈性緩沖的．且動環(huán)依靠圓柱銷進行傳動．是間隙配
合，靜環(huán)依靠圓柱銷限位與傳動．也是間隙配合。
其中彈簧是靜止的。采用多點布置。以更可靠、穩(wěn)
定的輸出彈力，保證良好的追隨性：在參數設計上，保
證其有足夠的緩沖能力和補償能力．盡量有較寬的工
作高度范圍．且彈力盡量保持一致．從而避免在較大沖
擊載荷下彈簧提供的補償力不足時端面打開引起密封
泄漏．避免部分彈簧失彈、變形而失效，保證機械密封
在事故工況下運行的可靠性和安全性
2．5 材料的選擇
在篩選密封材料之前．我們曾多次到國內核電站
進行調研．了解到有關核電站泵用機械密封的材料選
擇情況，根據密封工況特點、介質性質及《安全殼噴淋
泵機械密封的采購技術規(guī)格書》的規(guī)定，選擇材料如表
2所示
蘭 呈 ： ：
通過對以上計算結果的分析．各種情況下極值和
變形量如表3所示。
表2 密封材料對照表
2．6 密封安裝、使用、維護方便
通過定位塊將動、靜部分連接在一起．安裝時不需
要分解．整體裝入泵腔內后取下定位塊即可．簡便可靠
且定位準確．避免了現(xiàn)場重新組裝時引起的裝配精度
下降以及環(huán)境中的粉塵等雜質進入密封．從而更容易
保證密封的使用效果
3 優(yōu)化設計
初步設計完成后，我們對動環(huán)的離心應力、介質壓
應力、環(huán)體溫度場、熱應力等分別進行計算分析，再同
時對環(huán)體施加旋轉載荷155rad／s，壓力載荷3MPa．和熱
流密度載荷．考查環(huán)體應力及變形，各分析結果分別如
圖2、圖3、圖4、圖5所示。
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圖2 完整載荷下徑向應力 圖3
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完整載荷下環(huán)體溫度分布
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圖4 完整載荷下軸向位移 圖5 完整載衙下周問厘力
動環(huán)選用SiC材料．其物理性能如密度為3100kg／
m ，
． 彈性模量為410GPa，熱膨脹系數為4E一6／cI=，熱導
率為103W／m．K．抗彎強度為400MPa。動環(huán)為圓盤狀似
軸對稱結構．計算時可沿其軸剖面任取一個軸向斷面
為計算對象
表3 分析結果
通過以上的計算分析．可得出以下對設計工作有
指導性的結論：
(1)在三種載荷中，離心力的影響較小，而熱載荷
影響最為顯著．總體應力分布和變形主要取決于熱載
荷：
(2)離心載荷和熱載荷都有使環(huán)體沿徑向膨脹變
形的作用趨勢．但熱載荷產生的變形量遠遠大于旋轉
載荷產生的變形量：
(3)三種載荷都會在一定程度上使密封面呈收斂
錐狀變形，主導因素仍為熱載荷。
同樣．我們對靜環(huán)、壓蓋等重要零部件也進行了有
限元分析，為設計工作提供了強有力的指導與驗證。
如：動環(huán)的徑向位移最大點在與靜環(huán)接觸面的外徑區(qū)
域，并將達到0．294E一4m，故在該點最好是自由狀態(tài)，不
能加以約束。防止影響端面的工作狀態(tài)：壓蓋的0形圈
溝槽位置出現(xiàn)應力最大值．采用加大倒角過渡，避免應
力集中
4 試驗
在2010年9月．完成了安全殼噴淋泵性能試驗用
機械密封零件的加工、制造、裝配。并進行了臺架試驗
(基準試驗、極限工況試驗)，密封運轉狀況良好，無可
見泄漏量，試驗后密封經解體檢查，各零件完好．動、靜
環(huán)磨損量等均滿足設計要求。
在2012年底．機械密封與泵廠制造的安全殼噴淋
泵樣機一起進行了各類工況的考核，如雜質試驗、熱沖
擊試驗等。使用效果非常好．滿足技術規(guī)格書的要求。
5 結論
(1)通過對安全殼噴淋泵的各類工況(尤其是事故
工況)及泵體結構的分析，明確了機械密封所需達到應
用指標．針對性提出了一類新型機械密封結構．經過試
驗驗證可以滿足使用要求：
(2)采用ANSYS軟件對動環(huán)主要零部件進行了有
限元分析．研究了各類載荷對應力分布和變形的影響，
11
液壓氣動與密封／2013年第07期
壓力容器液相流體泄漏實驗研究
任榮亭，韓兵奇，韓正偉，張 軍
(中國石油大學(華東)，山東東營257061)
摘 要：目前，國內對壓力容器液相泄漏理淪分析較多，而實驗研究較少。為了探尋其實際泄漏規(guī)律，建立了交際壓力容器泄漏實驗模擬
系統(tǒng)，并進行了相關實驗。數據分析表明，實驗數據與理論計算的泄漏規(guī)律大致相同，只是泄漏速率的實驗數據比理論計算值變化更快。
關鍵詞：壓力容器；液相泄漏；實驗與理論對比分析；泄漏量梯度；泄漏速j棼
中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1008—0813(2013)07—0012—03
Experimental Study about the Liquid Leakage of Pressure Vessels
REN Rong-ting，HAN Bing-qi，HAN Zheng-wei，ZHANG Jun
(China University of Petroleum (East China)，Dongying 25706 1，China)
Abstract： At present，the theory analysis is more than experimental research about the liquid leakage of pressure vessels in China．
Therefore，a set of real experimental system was built and some experiments have been done．Test and analysis of the data shows that it
has the same rule for the experiment and theoretical arithmetic，but the fact is more faster than theoretical arithmetic in leakage rate．
Key words： pressure vessels； liquid leakage； comparable analysis of experiment and theory； grade of spillage； leakage rate
0 引舌
石油化T行業(yè)中輸送的產品大多具有易燃、易爆、
腐蝕、毒性等多種危害性。其儲罐的各種接口密封面失
效或器壁出現(xiàn)穿透性裂紋均可發(fā)生泄漏．其泄漏介質
可能引起燃燒、爆炸或中毒事故，并造成嚴重的環(huán)境污
染，影響管道的正常運行，造成資源浪費和經濟損失
目前為之．國內對壓力容器泄漏的理論分析[1-2]較多．而
實驗研究的文獻報道甚少 因此．必須對壓力容器的安
全性進行實驗研究和系統(tǒng)分析，探討其泄漏規(guī)律．避免
事故發(fā)生
1 實驗設備
整套實驗裝置由儲罐單元、動力單元(泵及壓縮
收稿日期：2013-05—23
作者簡介：任榮亭(1965一)，男，山東廣饒人，L程師，本科，主要從事石油化
1：新技術及分析儀器的研發(fā)工作
為優(yōu)化設計提供了指導：
(3)在動環(huán)的有限元分析中．可以得出熱載荷的影
響最大，介質壓力、離心力和熱載荷都會在一定程度上
使密封面呈收斂錐狀變形，但主導因素仍為熱載荷：
(4)同時，在分析中還可以看出，熱載荷與離心力和
介質樂力可以實現(xiàn)一定的耦合．減小端面應力及變形
12
機)、氣液實驗管道及支架單元、泄漏模塊單元(壓力容
器)、溫度影響測試單元、安全保護單元、測量儀表和數
據采集及處理單元組成．如圖1所示。
儲罐單元包括儲液罐、緩沖罐．采用優(yōu)質不銹鋼材
質氬弧焊焊接而成 動力單元選用優(yōu)質高壓力輸出空
氣壓縮機和高壓三缸柱塞泵 實驗管道及支架單元設
計為氣液管道5層分布．額定壓力2MPa．最高耐壓
5MPa．管道總長達100m．以便更真實地模擬輸送管線
的泄漏情況。泄漏模塊單元其實為一儲罐(見圖2)．其
上分別在距離容器下端550mm和956mm處各開有一
個2．5mm和3mm&amp;amp;TL模擬泄漏 為了對誤操作及各種
因素引起的系統(tǒng)超壓進行實時保護．確保整套實驗系
統(tǒng)的安全．在液路管道上設置了安全閥，并對泵及壓縮
機設置超壓自動保護功能 數據采集及處理單元各模
塊間的數據交換采用全局變量、參數、數據庫表或數據
文件進行，易于修改和維護。
參 考 文 獻
f11 深圳中廣核T 程設計有限公司．安全殼噴淋泵技術規(guī)格書
『Z1．深圳：深圳中廣核T程設計有限公司，2007．
『21 中科華核電技術研究院有限公司．壓水堆核電站核級機械密
封研制任務書 ．深圳：中科華核電技術研究院有限公司，2009．
[3】JB／T 4127．1-1999，機械密封技術條件『S1．
『41 GB／T 1421 1—1993，機械密封試驗方法fS]．

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