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[摘 要]反应堆冷却剂泵又称主泵，是核电厂的心脏。秦山第二核电厂的主泵1号机械密封曾经多次发生泄漏大的问题。本文讲述了主泵1号密封的结构和原理，结合实际例子分析了1号密封泄漏大无法建立压差，从而导致无法启泵的原因，并在机组不退防的状况下成功解决了该问题。并从密封泄漏理论公式入手，结合实际例子，阐述在运行时1号密封泄漏突变的情况下如何通过系统调整来恢复泄漏流量。
[关键词]主泵 1号机械密封 泄漏 压差 流量 温度
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0005-02
正文：
一、绪论
反应堆冷却剂泵又称为主泵，是核电厂反应堆冷却剂系统中唯一的转动设备，是核电厂1回路的心脏。用于驱动高温高压、具有放射性的冷却剂，以提供足够的流量冷却反应堆堆芯，将堆芯中产生的热量通过蒸汽发生器传递给二回路。
中核核电运行管理有限公司二厂（秦山第二核电厂）是压水堆堆型，每个机组有两台主泵。采用西屋设计的M100D型主泵，为立式、单级离心泵。
主泵机组由主泵、主泵电机和泵机组的辅助系统三大部分组成。其中主泵包括水力部件、热屏热交换器、转动部件与导轴承组件、轴密封组件和结构部件五个部分；轴密封组件采用三级机械密封，安装在密封壳内，由3级不同的控制泄漏密封组成。其中2#、3#密封为一个整体部件，可以一起安装和拆卸，称为盒芯式密封组件。
二、1号密封简介
1号密封主要由动环、静环、静环插入件等组成。静环插入件固定静环筒体上，静环可以在插入件上下滑动。下侧由外部的挡块限值其活动距离。动环固定在轴肩上，有销子可以定位，使用四个带12对弹簧垫圈的螺栓固定。
1号密封注入水使用RCV系统的水，压力约15.7MPa，比RCP一回路主系统压力略高。注入水温度约50摄氏度左右，远远低于1回路温度。故注入水分两路，一路往下压制高温的一回路水，防止其上升破坏密封。另一路从1号密封面泄漏出去，同时作为2号密封的注入水使用。
静环面的受力如图二所示。静环上部受一个向下的压力，静环下部受向上的压力。由于静环下部和动环上部开口是楔形的，故其受力是一条近似抛物线。矩形面积代表向下的力，曲线代表向上的力。当液膜厚度增加时，楔口处压力减小，A1大于A2，静环向下移动，液膜趋于减小，楔口处压力逐渐变大。动态平衡之后A1=A2，液膜厚度稳定。反之，当液膜厚度减少时，楔口处压力增加，向下的A1小于A2， 静环有向上的趋势，动态平衡之后A1=A2，液膜厚度稳定。故1号密封面之间的间隙大小受控于端面形状和系统压力。只要达到最低的运行压力，就能在动静环端面之间形成液膜间隙，并由此形成前后压差。1号密封的运行范围见下表1。
三、2RCP001PO泄漏大导致无法启机的处理
2010-6-17日晚 18点左右，秦山第二核电厂205大修结束在即，机组准备启动主泵。发现2RCP001PO主泵泄漏量大，无法建立压差，不符合启泵要求。
3.1 缺陷及分析
问题及现象描述：
1、系统压力2.5MPa，密封注入压力1.7MPa，温度50度。1号压差为零，泄漏量满量程超过2.4m3/H。此时2号密封泄漏为零。根据运行维修手册的要求，1号密封压差不小于1.38MPa才能启动主泵。
2、此次检修只更换了2#3#盒式密封，对1号密封没有做任何工作。
3、回装盒式密封之前测量X值（静环支撑上沿至1号密封壳端面的距离）和Y值（与X值对应的盒式密封台阶高度），发现X值变小。用铜棒轻轻敲击下去，使得X值大于Y值。查询记录，一般X值比Y值大0.2mm。
从结构和力学分析，可以分析出触发1号密封高流量报警的可能原因有：密封注入水丧失、密封注入水高温（影响液体运动粘度）、1号密封面损坏、1号密封静环卡涩等
可能原因分析：
1、排除假信号。
确认阀门在线正确。确认排气阀RCP618VP关闭。临时打开618VP重新排气后无任何改善。确认压差计的RCP849/846VP开启。同时临时关闭849VP观察压差没有变化，说明0压差的信号是真实的。故此原因可以排除。
2、密封注入水流量、压力、温度异常。经核实，密封注入水无异常。
3、1 号密封面损坏、卡涩。
大修前该泵运转情况良好，排除1号密封面损坏的可能。由于是完全没有压差，且连续盘车后没有任何改善。故1号密封面卡涩的可能性低。
4、密封面开口，双Δ密封处卡涩。
正常情况下，X值（静环支撑上沿至1号密封壳端面的距离）比Y（与X值对应的盒式密封台阶高度）大0.2mm，否则二三号盒式密封会碰到1号密封静环支撑导致无法安装到位。考虑到检修测量时发现X值比Y值小，说明静环支承环上移，极有可能带着静环一起上移。发现该问题后使用检修手段将静环下压至合适位置。由于静环和插入件之间是相对活动的，但是之间有双△密封。并且根据以往的检修经验，1号密封每次6年检修时该插入件的相应位置都有比较明显的磨损痕迹。故该处极有可能存在卡涩。导致静环面偏移，或者静环无法上下自由动作，也就失去了1号密封的作用。故此原因可能性极高。
3.2 应对措施
从分析中得知此次1号密封泄漏大无法建立压差的原因最大可能是静环双Δ密封处卡涩。大修只更换了盒式密封，不会影响1号密封。 且目前2号密封泄漏为零，说明2号密封完好。也就不会影响3号密封。故只要针对1号密封安排合理措施即可。
解体检查肯定可以解决该问题。但是需要系统状态回退到冷停，加上检修时间，至少需要4天4夜。在其它设备状态已经就位的情况下，如果检修，则将给电厂带来两千多万的损失。如果避免这两千多万的损失，是摆在维修人员心中的大难题。最终维修人员认定在不解体的情况下，只有通过振动和冲击的办法有可能解决卡涩问题。通过我们的分析同时咨询行业内专家，连夜采用了以下几种方法： 1、连续盘车—无效果。
2、多次启停顶轴油泵—无效果。
3、确认泄漏管线排气阀618VP是关的。打开618VP重新排气。--无效果。
4、1号密封室用橡胶锤使劲敲击，振动1号密封。--无效果
5、1回路压力25-8-25bar来回做几次，1号密封压差仍然是零。--无效果
6、打开1号泄漏管路的131VP，5S内快速关闭，然后再打开。目的是冲击1号密封，观察有无改善。--无效果
7、点动该泵，运转30秒后关闭，通过大流量的水流冲击该密封。考虑到主泵1号密封是非接触密封，点动情况下不会磨损1号密封面。但是存在冲击2号密封，使2号密封张口、破坏的可能。综合考虑各种风险，第二天下午2点左右，主控先点动002PO，此时发现001PO压差0.3MPa，稍有改善。随后点动001PO 30秒，2号密封泄漏量突然增大，停运后1号密封压差突然出现，并且伴随着2号密封泄漏回零。说明2号密封被冲击开启后又自然闭合，此时1号密封压差1.4MPa，其它系统和设备参数一切恢复正常。 说明此方案成功，主泵1号密封压差为零无法起泵的缺陷消除！该泵之后连续运行一个周期未出现问题。
四、2RCP002PO 1#密封泄漏量大的不停机处理
2008年4月5日中午，在上充泵切换试验之后一段时间，2RCP002PO 1#密封泄漏量呈缓慢增大趋势，21时左右1#密封泄漏量已接近1m3/h（正常泄漏流量应为0.68m3/h，报警值为1.2m3/h），此时1#密封注入水流量为1.98m3/h。此时由于机组是在正常运行期间，最好能够不停机处理该问题。
我们也可以通过该公式来了解如何调节1#密封的泄漏量。
其中Q为1#密封泄漏量；
π为圆周率。h为液膜厚度。
ΔP为1#密封的压差，即1#密封正面压力减去1#密封的背面压力，在现场可以近似认为是1#密封注入水压力减去容控箱压力，由于1#密封注入水只控制流量而不控制压力，所以改变1#密封的压差通常通过改变容控箱的压力来实现；
μ为粘度，可以通过调节1#密封注入水的温度来改变μ，μ随着温度的降低而增大；
为1#密封面的锥度，这个是由厂家的加工精度来决定的，但是由于各种原因及腐蚀产物在密封面的沉积，也会改变1#密封面的锥度。
由于机组是在正常运行过程中出现了问题，ΔP和μ是没有变化的。在上冲切换过程中，注入流压力和流量可能会有波动。经查阅检修记录，1#密封注入水上游过滤器2RCV003FI上次更换时间为2004年12月10日，已有3年多的时间，其压差也达到了85kPa，意味该过滤器已经比较脏了。在上充切换波动过程中，其过滤器内部的赃物可能被冲出带入到1号密封面上。从而在1号密封面上产生轻微积垢或悬浮物，影响了其密封面线形和锥度，进而影响了其泄漏流量。
为了减少积垢和悬浮物对密封面的影响，直接办法就是冲洗密封面，增加1号密封注入水流量。我们通过增大1#密封注入水流量到2.1m3/h，1#密封泄漏流量呈下降趋势，下降至0.84m3/h。但2RCP001PO在增大1#密封注入水流量时1#密封泄漏流量呈略微上升趋势，两台泵趋势相反。
增大1号密封注入流量未达到预期效果，故尝试通过调节温度可以改变其粘度。4月6日通过降低轴封注水温度（从53℃调到50.9℃），将2RCP002PO泄漏流量降低到0.51m3/h，2RCP001PO同样也降低了，由0.7m3/h下降到0.54m3/h，幅度不如2RCP002PO，但变化趋势相同。至4月7日中午，2RCP002PO轴封泄漏流量稳定在0.37m3/h左右，密封注入水温度稳定在48.9℃，2RCP001PO稳定在0.48m3/h，已经可以正常运行。此时2号和3号密封泄漏量保持正常。该泵一直运行到5月底大修时一直保持在这个正常范围。2008年6月，利用机组大修时间对该机封进行了检查，未发现明显缺陷。说明利用流程和温度控制的手段已经彻底解决了该问题。
五、结束语
核电厂在主泵运行时意味着机组已经发电或者具备发电条件。故只要主泵需要停机检修，机组就必须退防，往往带来巨大的经济损失。主泵1号密封泄漏量异常是一个非常典型的事件，检修人员通过结构、理论和实际分析，最终利用其它手段成功解决了异常问题，给电厂挽回了大量经济损失。
国内目前压水堆的主泵和机封都是及其类似的，本文的处理经验可以供其它核电厂参考。
参考文献
[1] M100D型反应堆冷却剂泵运行维修手册（第一卷）
Westinghouse Instruction Book Of Reactor Coolant Pump Model M100D
作者简介
刘德军，性别男，籍贯浙江江山，出生于1982年5月，工作单位为浙江海盐中核核电运行管理有限公司，工程师职称。长期从事核电厂转动设备维护和管理。
[关键词]主泵 1号机械密封 泄漏 压差 流量 温度
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0005-02
正文：
一、绪论
反应堆冷却剂泵又称为主泵，是核电厂反应堆冷却剂系统中唯一的转动设备，是核电厂1回路的心脏。用于驱动高温高压、具有放射性的冷却剂，以提供足够的流量冷却反应堆堆芯，将堆芯中产生的热量通过蒸汽发生器传递给二回路。
中核核电运行管理有限公司二厂（秦山第二核电厂）是压水堆堆型，每个机组有两台主泵。采用西屋设计的M100D型主泵，为立式、单级离心泵。
主泵机组由主泵、主泵电机和泵机组的辅助系统三大部分组成。其中主泵包括水力部件、热屏热交换器、转动部件与导轴承组件、轴密封组件和结构部件五个部分；轴密封组件采用三级机械密封，安装在密封壳内，由3级不同的控制泄漏密封组成。其中2#、3#密封为一个整体部件，可以一起安装和拆卸，称为盒芯式密封组件。
二、1号密封简介
1号密封主要由动环、静环、静环插入件等组成。静环插入件固定静环筒体上，静环可以在插入件上下滑动。下侧由外部的挡块限值其活动距离。动环固定在轴肩上，有销子可以定位，使用四个带12对弹簧垫圈的螺栓固定。
1号密封注入水使用RCV系统的水，压力约15.7MPa，比RCP一回路主系统压力略高。注入水温度约50摄氏度左右，远远低于1回路温度。故注入水分两路，一路往下压制高温的一回路水，防止其上升破坏密封。另一路从1号密封面泄漏出去，同时作为2号密封的注入水使用。
静环面的受力如图二所示。静环上部受一个向下的压力，静环下部受向上的压力。由于静环下部和动环上部开口是楔形的，故其受力是一条近似抛物线。矩形面积代表向下的力，曲线代表向上的力。当液膜厚度增加时，楔口处压力减小，A1大于A2，静环向下移动，液膜趋于减小，楔口处压力逐渐变大。动态平衡之后A1=A2，液膜厚度稳定。反之，当液膜厚度减少时，楔口处压力增加，向下的A1小于A2， 静环有向上的趋势，动态平衡之后A1=A2，液膜厚度稳定。故1号密封面之间的间隙大小受控于端面形状和系统压力。只要达到最低的运行压力，就能在动静环端面之间形成液膜间隙，并由此形成前后压差。1号密封的运行范围见下表1。
三、2RCP001PO泄漏大导致无法启机的处理
2010-6-17日晚 18点左右，秦山第二核电厂205大修结束在即，机组准备启动主泵。发现2RCP001PO主泵泄漏量大，无法建立压差，不符合启泵要求。
3.1 缺陷及分析
问题及现象描述：
1、系统压力2.5MPa，密封注入压力1.7MPa，温度50度。1号压差为零，泄漏量满量程超过2.4m3/H。此时2号密封泄漏为零。根据运行维修手册的要求，1号密封压差不小于1.38MPa才能启动主泵。
2、此次检修只更换了2#3#盒式密封，对1号密封没有做任何工作。
3、回装盒式密封之前测量X值（静环支撑上沿至1号密封壳端面的距离）和Y值（与X值对应的盒式密封台阶高度），发现X值变小。用铜棒轻轻敲击下去，使得X值大于Y值。查询记录，一般X值比Y值大0.2mm。
从结构和力学分析，可以分析出触发1号密封高流量报警的可能原因有：密封注入水丧失、密封注入水高温（影响液体运动粘度）、1号密封面损坏、1号密封静环卡涩等
可能原因分析：
1、排除假信号。
确认阀门在线正确。确认排气阀RCP618VP关闭。临时打开618VP重新排气后无任何改善。确认压差计的RCP849/846VP开启。同时临时关闭849VP观察压差没有变化，说明0压差的信号是真实的。故此原因可以排除。
2、密封注入水流量、压力、温度异常。经核实，密封注入水无异常。
3、1 号密封面损坏、卡涩。
大修前该泵运转情况良好，排除1号密封面损坏的可能。由于是完全没有压差，且连续盘车后没有任何改善。故1号密封面卡涩的可能性低。
4、密封面开口，双Δ密封处卡涩。
正常情况下，X值（静环支撑上沿至1号密封壳端面的距离）比Y（与X值对应的盒式密封台阶高度）大0.2mm，否则二三号盒式密封会碰到1号密封静环支撑导致无法安装到位。考虑到检修测量时发现X值比Y值小，说明静环支承环上移，极有可能带着静环一起上移。发现该问题后使用检修手段将静环下压至合适位置。由于静环和插入件之间是相对活动的，但是之间有双△密封。并且根据以往的检修经验，1号密封每次6年检修时该插入件的相应位置都有比较明显的磨损痕迹。故该处极有可能存在卡涩。导致静环面偏移，或者静环无法上下自由动作，也就失去了1号密封的作用。故此原因可能性极高。
3.2 应对措施
从分析中得知此次1号密封泄漏大无法建立压差的原因最大可能是静环双Δ密封处卡涩。大修只更换了盒式密封，不会影响1号密封。 且目前2号密封泄漏为零，说明2号密封完好。也就不会影响3号密封。故只要针对1号密封安排合理措施即可。
解体检查肯定可以解决该问题。但是需要系统状态回退到冷停，加上检修时间，至少需要4天4夜。在其它设备状态已经就位的情况下，如果检修，则将给电厂带来两千多万的损失。如果避免这两千多万的损失，是摆在维修人员心中的大难题。最终维修人员认定在不解体的情况下，只有通过振动和冲击的办法有可能解决卡涩问题。通过我们的分析同时咨询行业内专家，连夜采用了以下几种方法： 1、连续盘车—无效果。
2、多次启停顶轴油泵—无效果。
3、确认泄漏管线排气阀618VP是关的。打开618VP重新排气。--无效果。
4、1号密封室用橡胶锤使劲敲击，振动1号密封。--无效果
5、1回路压力25-8-25bar来回做几次，1号密封压差仍然是零。--无效果
6、打开1号泄漏管路的131VP，5S内快速关闭，然后再打开。目的是冲击1号密封，观察有无改善。--无效果
7、点动该泵，运转30秒后关闭，通过大流量的水流冲击该密封。考虑到主泵1号密封是非接触密封，点动情况下不会磨损1号密封面。但是存在冲击2号密封，使2号密封张口、破坏的可能。综合考虑各种风险，第二天下午2点左右，主控先点动002PO，此时发现001PO压差0.3MPa，稍有改善。随后点动001PO 30秒，2号密封泄漏量突然增大，停运后1号密封压差突然出现，并且伴随着2号密封泄漏回零。说明2号密封被冲击开启后又自然闭合，此时1号密封压差1.4MPa，其它系统和设备参数一切恢复正常。 说明此方案成功，主泵1号密封压差为零无法起泵的缺陷消除！该泵之后连续运行一个周期未出现问题。
四、2RCP002PO 1#密封泄漏量大的不停机处理
2008年4月5日中午，在上充泵切换试验之后一段时间，2RCP002PO 1#密封泄漏量呈缓慢增大趋势，21时左右1#密封泄漏量已接近1m3/h（正常泄漏流量应为0.68m3/h，报警值为1.2m3/h），此时1#密封注入水流量为1.98m3/h。此时由于机组是在正常运行期间，最好能够不停机处理该问题。
我们也可以通过该公式来了解如何调节1#密封的泄漏量。
其中Q为1#密封泄漏量；
π为圆周率。h为液膜厚度。
ΔP为1#密封的压差，即1#密封正面压力减去1#密封的背面压力，在现场可以近似认为是1#密封注入水压力减去容控箱压力，由于1#密封注入水只控制流量而不控制压力，所以改变1#密封的压差通常通过改变容控箱的压力来实现；
μ为粘度，可以通过调节1#密封注入水的温度来改变μ，μ随着温度的降低而增大；
为1#密封面的锥度，这个是由厂家的加工精度来决定的，但是由于各种原因及腐蚀产物在密封面的沉积，也会改变1#密封面的锥度。
由于机组是在正常运行过程中出现了问题，ΔP和μ是没有变化的。在上冲切换过程中，注入流压力和流量可能会有波动。经查阅检修记录，1#密封注入水上游过滤器2RCV003FI上次更换时间为2004年12月10日，已有3年多的时间，其压差也达到了85kPa，意味该过滤器已经比较脏了。在上充切换波动过程中，其过滤器内部的赃物可能被冲出带入到1号密封面上。从而在1号密封面上产生轻微积垢或悬浮物，影响了其密封面线形和锥度，进而影响了其泄漏流量。
为了减少积垢和悬浮物对密封面的影响，直接办法就是冲洗密封面，增加1号密封注入水流量。我们通过增大1#密封注入水流量到2.1m3/h，1#密封泄漏流量呈下降趋势，下降至0.84m3/h。但2RCP001PO在增大1#密封注入水流量时1#密封泄漏流量呈略微上升趋势，两台泵趋势相反。
增大1号密封注入流量未达到预期效果，故尝试通过调节温度可以改变其粘度。4月6日通过降低轴封注水温度（从53℃调到50.9℃），将2RCP002PO泄漏流量降低到0.51m3/h，2RCP001PO同样也降低了，由0.7m3/h下降到0.54m3/h，幅度不如2RCP002PO，但变化趋势相同。至4月7日中午，2RCP002PO轴封泄漏流量稳定在0.37m3/h左右，密封注入水温度稳定在48.9℃，2RCP001PO稳定在0.48m3/h，已经可以正常运行。此时2号和3号密封泄漏量保持正常。该泵一直运行到5月底大修时一直保持在这个正常范围。2008年6月，利用机组大修时间对该机封进行了检查，未发现明显缺陷。说明利用流程和温度控制的手段已经彻底解决了该问题。
五、结束语
核电厂在主泵运行时意味着机组已经发电或者具备发电条件。故只要主泵需要停机检修，机组就必须退防，往往带来巨大的经济损失。主泵1号密封泄漏量异常是一个非常典型的事件，检修人员通过结构、理论和实际分析，最终利用其它手段成功解决了异常问题，给电厂挽回了大量经济损失。
国内目前压水堆的主泵和机封都是及其类似的，本文的处理经验可以供其它核电厂参考。
参考文献
[1] M100D型反应堆冷却剂泵运行维修手册（第一卷）
Westinghouse Instruction Book Of Reactor Coolant Pump Model M100D
作者简介
刘德军，性别男，籍贯浙江江山，出生于1982年5月，工作单位为浙江海盐中核核电运行管理有限公司，工程师职称。长期从事核电厂转动设备维护和管理。