核电站主泵常见故障分析及检修

肖 胜，周 涛，胡 成，许 鹏

(1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京102206；2.华北电力大学 核热工安全与标准化研究所，北京102206；3.华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京100206；4.东南大学 能源与环境学院，南京211189；5.广西防城港核电有限公司，广西 防城港538000)

0 引 言

核电作为一种新型的高效清洁能源，符合我国可持续发展方针。在核电站中，需要用到各类的核安全一级到三级泵，而在核安全一级泵中，反应堆冷却剂泵(简称主泵)由于可以为一回路的冷却剂循环提供动力，是核电站的关键设备。实际运行情况下，核安全一级泵需要在高温、高压、放射性环境下工作，容易发生各种故障，从而直接威胁到核电站的安全运行。虽然洪振旻等[1]对主泵机械密封泄漏量异常进行过研究，齐盼进等[2]对主泵轴承故障进行过分析研究，黄佳平等[3]对气动阀诊断检修技术进行了探讨，但是都对主泵注入水引起的故障研究还不够深入。因此，对主泵的注入水参数与常见故障进行深入研究具有重要意义，能为今后核电站主泵维修工作提供相关借鉴。

1 主泵的结构与特点

1.1 CPR1000主泵结构

1.1.1 结构组成

压水堆中的主泵多采用立式混流泵、立式轴流泵、离心泵。它们的结构均为泵在主体的下部，电机在泵上部。泵的运行由电机直接驱动，通常使用三级密封方式作为轴密封的措施。电机结构[1]如图1所示。

图1 主泵结构Fig.1 Structure of main pump

从图1可以看到，主泵结构大致可以分为3个部分：1)水力机械部分，包括吸入口和出水口接管、泵壳、叶轮、扩压器和导流管、泵轴、水泵轴承和热屏等部件；2)轴封系统，主要是3个轴密封部件；3)电动机部分，包括电动机、止推轴承、上下径向轴承、顶轴油泵系统和惯性飞轮等部件。

1.1.2 运行参数

以大亚湾核电站1、2号机主泵为例[4]，大亚湾核电站的安全壳内放置主泵机组，其运行参数为：环境温度Tw最高温度为50 ℃，最低温度为15 ℃；正常工况下反应堆主泵吸入口管嘴压力为15.2 MPa，温度为293 ℃，其最低运行压力不小于2.3 MPa，若出现运行压力低于2.3 MPa，易发生叶轮汽蚀;反应堆主泵出水口管嘴处的最大压力为17.1 MPa。

1.2 AP1000主泵结构

AP1000主泵与二代核电主泵不同，为单级、全密封、高转动惯量屏蔽式离心泵，AP1000主泵结构[1]如图2所示。

从图2可以看到，反应堆主泵水力部件(包含叶轮、吸入段、导叶等)是设计安装在主泵电动机上端的，部件之间不设有联轴器。反应堆主泵的转子部分(包含水力部件和转子部分)的支撑是依靠电动机上下部分的径向滑动轴承和下方双向推力轴承，轴承的冷却和润滑主要依靠于一回路的水进行的。反应堆主泵的电动机及转子部分包容在承压壳内部，承压壳体主要是由泵的主壳体、热屏蔽部分、定子壳体以及定子端盖组成，其主要作用是承担来自核反应堆冷却剂系统的所有压力。

图2 主泵轴封结构Fig.2 Structure of main pump shaft seal

1.3 AP1000与CPR1000主泵对比

1.3.1 参数比较

相对于传统的轴封式主泵，屏蔽泵在额定功率、额定流量、扬程等参数上有所不同，AP1000主泵与CPR1000主泵参数对比如表1所示。

表1 AP1000与CPR1000参数对比Table 1 Comparison of parameters between AP1000 and CPR1000

从表1可以看到，AP1000主泵总高较CPR1000主泵低15.4%，额定功率低20.8%，在额定流量面较CPR1000主泵低24.8%，而扬程反比CPR1000高14%。

1.3.2 特点比较

AP1000屏蔽泵与CPR1000主泵相比，其主要特点有：

1)AP1000主泵为屏蔽式主泵，由于其旋转轴不存在向外延伸的部分，因此就不会出现输送液体向外泄露情况，因此也消除了由于轴密封失效或者全厂断电等事故工况影响下存在的冷却剂泄漏风险，将极大地强化了核反应堆的安全性能。

2)CPR1000具有轴封系统，而屏蔽泵由于去除轴封系统和与之相关的辅助系统，大大简化了发电机组的运行，同时有效降低屏蔽泵的维修工作量。

3)屏蔽泵的轴向作用力主要是由转子本身重量及水对叶轮产生的推力组成的。对于将泵设置在上部，电动机设置在下部的布局，两部分轴向力的方向相反，在静止时推力轴承受来自于转子的重量，在泵运行过程中叶轮水推力能够抵消掉部分转子的重量。

综上所述，AP1000的主泵——屏蔽泵具备封闭性强、安全系数高、结构紧凑、占地面积小、运行更为平稳等优点。

2 主泵的常见故障分析

2.1 注入水参数变化

岭澳的二号机组[5]的3台CPR1000主泵自从商业运行以来，在每次燃料循环的末期发生一号密封的泄漏量异常的现象。在每年的例行大修前45天左右，一号密封均会发生泄漏量上升，严重时泄漏量接近报警值。因此每次在大修时都会对一号密封进行拆除，并进行检查，这对人力物力造成了大量的浪费。

在进行第3次大修时，为分析连续3年一号密封泄漏量异常的现象，将原有一号密封组件进行拆除更换，并将其送去法国原厂家进行检测。

2.1.1 实验数据

此一号密封组件由JSPM公司提供，材质为氧化铝，密封方式为机械密封。该实验在1999年12月进行，试验显示数据一切正常，注入温度60 ℃，注入压力 15.8 MPa，泄漏流量为493 L/h。JSPM通过在试验台架上对机械密封进行检查，所得实验结果[1]如表2所示。

从表2数据可知：正常运行工况下，主泵的一号密封系统运行数据正常，和设定值差别不大。

表2 试验台架数据Table 2 Data on test bench

2.1.2 参数变化趋势

根据表2试验数据绘制泄漏压力、泄漏流量随时间变化曲线如图3所示，泄漏温度、注入温度随时间变化曲线如图4所示。

图3 泄漏压力、泄漏流量随时间的变化Fig.3 Variation of leakage pressure and leakage flow with time

图4 泄漏温度、注入温度随时间的变化Fig.4 Variation of leakage temperature and injection temperature with time

从图3可以看出，主泵泄漏压力不随时间的变化而变化。随着时间的增大，泄漏流量先增大后减小，在时间为1.5 h到2.5 h内，泄漏流量几乎不变，在时间到达3 h时泄漏流量突然减小。从图4可以看到，注入温度一直保持60 ℃不变，而泄漏温度刚开始由63.3 ℃在经过1h增长到69.1 ℃后，就一直保持平稳，在1.0 h到3.0 h之间几乎不变。

从图3、图4泄漏压力、泄漏流量、泄漏温度、注入温度随时间的变化可知，一号轴封各部件并未产生异常反应，机械密封并不是导致在运行时间末期所产生的泄漏流量异常现象的原因。厂家经过试验后指出，运行寿期末所产生的泄漏流量异常现象，可能是由水注入特性的变化引起的机械密封性能突变引起的。

2.2 电泳现象

溶液中带电粒子在电场中移动的现象叫作电泳，电泳现象是导致一号密封泄漏量异常的重要因素，当流体流经一号密封时，流体中的带电颗粒在密封面处在电泳现象的作用下堆积，进而对一号密封组件的密封面流道产生影响，改变流道面积，导致一号密封组件泄漏。电泳现象的控制对机组的稳定运行及一号密封泄漏量的控制起至关重要的作用。一号密封中存在的电泳现象主要有以下几部分组成：

1)机械密封注入水的物性参数；

2)注入水中所含腐蚀产物颗粒对一号密封组件的影响；

3)将一号密封组件中的动环和静环当作电极。

2.3 注水水化学现象

核反应堆主泵在运行中，随着机组的燃耗增加，回路系统内的硼浓度将不断降低，容控箱的pH值增加，这时会导致腐蚀颗粒的沉积—溶解的平衡，使得腐蚀颗粒更容易沉积，进而引起轴封密封性发生恶化。而在寿期末容控箱出水pH增长的斜率明显加大，相应引起的效应更加明显。

在实验过程中可以发现：主泵一号密封组件在系统进行慢稀释和快稀释时的泄漏量会产生变化。慢稀释[6]时，主泵机械密封泄漏流量不断上升，除盐水由硼水补给系统注入到容控箱中，与容控箱中原有的水进行混合，并流入上充流。这部分水与正常状态下的上充流水质相差不大，但当可进行快稀释时，水直接注入上充流入口，此时上充流流量增大，与正常上充流比较pH低。此时的上充流对一号密封组件密封面的颗粒层存在溶解作用。当采用慢稀释时，此时的溶解作用降低，会导致密封面的密封性能恶化。

2.4 其他故障分析

主泵除了一号轴封引起的典型故障外，还有其他一些故障[7]，如表3所示，例如轴的故障、转子的故障还有汽蚀作用导致的故障等等，这些故障差异性较大，准确判断故障的类型对之后的检修工作显得尤为重要。

表3 主泵故障频带Table 3 Failure frequency band of main pump

3 主泵的常见故障处理

通过对第2节主泵的常见故障分析可知，主泵的故障处理可以采用以下几种方法：

1)降低轴封水温度。降低轴封水温度，一个方面可以改变其流体特性，水的粘度增大，密封效果更佳，降低了泄露量。另一个方面，轴封水温度降低，热膨胀和热应力减小，进而减少密封面的变形程度，减少了泄漏量。

2)切换滤网。轴封注入水装设有一个备用滤网。备用滤网之前一直处于备用状态，在早期就充满了水，当切换到备用滤网时，注入水的硼浓度较高、温度较低、含氧量也较高，这样一定程度上可以利用其酸性对沉积在密封面上的颗粒物进行清洁[8]利于密封面形状的恢复，从而减少泄漏量。

3)改变密封注入水的滤网精度。加入轴封注入水中具有较多的颗粒物，颗粒物的沉积会使得密封面形状改变、性能下降。在对主泵进行检修时，采用过滤更细的滤网可以有利地改善水质，从而提高密封面的工作性能，有利于降低泄漏量。

4)AP1000屏蔽泵的维修。屏蔽泵具有运行稳定、运行时振动小、结构简单等优点。但在日常运行中会存在不可预见的问题，因此西屋公司在对屏蔽泵进行设计时在泵内部预留下一部分空间便于检修，然而由于此空间预留面积较小，反而增加了维修难度。

5)其他故障预防及处理。在正常运行维护时，比较简单的预防方式为按时更换润滑油。润滑轴承运行一段时间后需要进行换油。滚动轴承换油的时间则要在大修期间，运行时需要关注其油位，及时补充。其次，要及时更换盘根，安装要正确。发现盘根磨损比较严重或者已经老化时，要及时更换。最后，定期检查可以事先排除故障。定期检查各显示仪表是否正常，检查各关键点温度是否正常，检查是否存在跑冒滴漏，检查各连接部分是否符合松紧要求。

4 结 论

通过对主泵易出现的其他故障特征等进行归类，主要对引起主泵机械密封恶化的3个原因(注水参数变化、电泳现象和注水水化学现象)进行分析。系统地展现了主泵的主要故障问题，针对出现的问题提出了相应的干预措施和检修方案，为现场的检修人员提供了理论上的参考意见。

1)电泳现象可造成机械密封动静环间流道特性改变，引起机械密封泄漏流量异常。

2)注入水水化学现象可加剧恶化机械密封性能。

3)屏蔽泵具有结构相对简单、振动小、运行可靠等优点，但泵的检修很困难。