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摘 要： 【內(nèi)容摘要】反應(yīng)堆冷卻水泵的軸密封作為一回路壓力屏障，防止高溫放射性冷卻劑向環(huán)境泄漏。本文描述和分析了在全廠斷電事故中反應(yīng)堆冷卻水泵因軸封注入水中斷造成的軸封失效，并對(duì)比分析了各種預(yù)防軸封注入水中斷措施，為后續(xù)反應(yīng)堆冷卻劑泵軸封注入系統(tǒng)設(shè)
【內(nèi)容摘要】反應(yīng)堆冷卻水泵的軸密封作為一回路壓力屏障，防止高溫放射性冷卻劑向環(huán)境泄漏。本文描述和分析了在全廠斷電事故中反應(yīng)堆冷卻水泵因軸封注入水中斷造成的軸封失效，并對(duì)比分析了各種預(yù)防軸封注入水中斷措施，為后續(xù)反應(yīng)堆冷卻劑泵軸封注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】反應(yīng)堆冷卻劑泵;機(jī)械密封;軸密封;SBO
一、引言
反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱主泵)是核電廠的重要設(shè)備，其主要功能是驅(qū)動(dòng)高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑，保證冷卻劑在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中的循環(huán)。目前在役核電廠主泵主要為立式、單級(jí)單吸的軸封式葉片泵。主泵的軸密封部件提供從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力到環(huán)境條件的壓力隔離，防止反應(yīng)堆冷卻劑向環(huán)境泄漏。軸密封部件主要為三級(jí)流體靜壓或動(dòng)壓機(jī)械密封，在正常運(yùn)行時(shí)，每一級(jí)密封按照比例承受系統(tǒng)壓力。
二、軸封注入失效分析
正常運(yùn)行時(shí)，主泵軸密封由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)提供冷高壓注入水，密封注入水進(jìn)入泵腔后分兩路:一路沿泵軸向下潤(rùn)滑和冷卻泵水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承后，流入到反應(yīng)堆一回路內(nèi);另一部分沿泵軸向上依次進(jìn)入第一、二、三級(jí)機(jī)械密封，以潤(rùn)滑和保護(hù)軸密封，經(jīng)過每級(jí)密封后的泄漏均在可控泄漏流量范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)主泵在一回路系統(tǒng)中的屏障。在全廠斷電SBO事故中，廠外電源不可用，廠用電也不可用，同時(shí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組也不可用。
RCV系統(tǒng)中上充泵因失電，無法向主泵軸密封系統(tǒng)提供密封注入水，使一回路高溫反應(yīng)堆冷卻劑沿泵軸向上流動(dòng)，穿過水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承，進(jìn)入主泵軸密封，由于高溫和其引發(fā)的熱應(yīng)力會(huì)損害軸密封，使反應(yīng)堆冷卻劑泄漏超出正常泄漏范圍，從而破壞一回路邊界完整性，導(dǎo)致出現(xiàn)破口事故(LOCK)。隨著冷卻劑持續(xù)從主泵軸封破口流出，一回路壓力持續(xù)下降，堆芯水位下降，堆芯裸露，升溫到失效溫度后融毀[1]。
三、SBO事故中失去主泵軸封注水危險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施
為應(yīng)對(duì)SBO事故中失去主泵軸封注入水的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)主泵密封注入相關(guān)的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足在SBO事故工況下提供軸封注入水，保證一回路邊界的完整性。
(一)增設(shè)SBO軸封注入水泵。
主泵軸封注入水由三臺(tái)離心式上充泵提供，并由RCV系統(tǒng)收集主泵密封泄漏流[2]，另設(shè)一臺(tái)往復(fù)式水壓試驗(yàn)泵用于一回路水壓試驗(yàn)，必要時(shí)可為主泵提供軸封注入水。上充泵和水壓試驗(yàn)泵均由主交流電源供電，在SBO事故中無法運(yùn)行。為防止SBO事故中失效，將增設(shè)一臺(tái)往復(fù)式泵作為非核級(jí)軸封注入水泵，在SBO事故工況下，操作員能在主控制室手動(dòng)啟動(dòng)水泵，供應(yīng)主泵軸封注入水，該泵至少連續(xù)運(yùn)行8h。
為減少?gòu)S房布置變化，此往復(fù)式泵將由400V/50Hz柴油發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力電源[3]。整個(gè)新增設(shè)備由SBO軸封注入水泵及電動(dòng)機(jī)、軸封注入水泵電裝入口閥、箱式柴油發(fā)電機(jī)組、控制箱等組成，以上設(shè)備動(dòng)力均由400V/50Hz柴油發(fā)電機(jī)組提供，柴油發(fā)電機(jī)組采用24DC蓄電池電啟動(dòng)方式，蓄電池保證至少6次啟動(dòng)，布置在廠址高位平臺(tái)。此方案安裝快速、技術(shù)成熟，保證SBO事故工況下軸封注入水，但需柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性。從1993年1月至2005年8月，秦山核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組失敗啟動(dòng)1次，帶載失敗運(yùn)行3次，可靠性系數(shù)為0.95，從中可看出柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性仍存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，此方案在極端事故工況下仍存在不可靠性。
(二)增加設(shè)備冷卻水泵供電電源。
美國(guó)西屋、法國(guó)熱蒙、日本三菱研發(fā)的軸封式主泵均采用熱屏換熱器，設(shè)備冷卻水通過熱屏換熱器冷卻向上流動(dòng)一回路冷卻水，可保護(hù)泵軸承和軸封。法國(guó)熱蒙設(shè)計(jì)的華龍一號(hào)主泵在熱屏蔽內(nèi)增加多個(gè)中空的不銹鋼套筒，此結(jié)構(gòu)能增加通過其一回路高溫水的傳導(dǎo)熱阻;當(dāng)軸封注入水中斷、設(shè)備冷卻水正常供應(yīng)時(shí)，無需其它備用措施，能保證軸承和軸密封正常運(yùn)行24h。
安德里茲研發(fā)的主泵設(shè)置高壓冷卻器，當(dāng)主泵失去密封注入水、設(shè)備冷卻水正常供應(yīng)時(shí)，高壓冷卻器可作為一熱阱建立自然循環(huán)流，一回路高溫水可通過再循環(huán)管線，經(jīng)高壓冷卻器中設(shè)備冷卻水盤管冷卻后注入軸密封，此流量較低僅可冷卻軸密封。因此，對(duì)于帶熱屏換熱器或高壓冷卻器的軸封式主泵，當(dāng)軸封注入水中斷時(shí)，保證設(shè)備冷卻水正常供應(yīng)，便可冷卻一回路上涌高溫水，可暫時(shí)冷卻和潤(rùn)滑軸封。
可考慮增加一臺(tái)箱式柴油發(fā)電機(jī)組或汽輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)在SBO事故工況下時(shí)，為設(shè)備冷卻水泵提供動(dòng)力電源，以保證設(shè)備冷卻水對(duì)熱屏換熱器或高壓冷卻器的供應(yīng)，可保證主泵軸封注入水的24h用水需求。但熱屏換熱器或高壓冷卻器中的盤管壁面不僅傳遞換熱，還可作為分隔一回路高溫水與設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的壓力邊界。如果管壁破裂，將導(dǎo)致設(shè)備冷卻水管線破裂引起的安全殼旁通型LOCK事故[4]。在SBO事故工況下，設(shè)備環(huán)境更加惡劣，存在設(shè)備冷卻水管線不可用風(fēng)險(xiǎn)，雖可通過設(shè)備冷卻水上、下游閥門隔離，但閥門均需設(shè)置蓄電池供電才能動(dòng)作。
(三)采用耐高溫機(jī)械密封材料。
在SBO事故工況下，一回路反應(yīng)堆溫度在300℃以上，普通機(jī)械密封材質(zhì)在無軸封注入水情況下無法保證密封的完整性，可采用新材料來保證機(jī)械密封承受高溫。可將普通機(jī)械密封面材料改為氮化硅，其耐干磨能力明顯增強(qiáng)，在失去軸封注入水情況下，仍能運(yùn)行一段時(shí)間，提高了密封的抗破壞能力[5];且氮化硅能在高溫下保持動(dòng)、靜環(huán)間隙幾何形狀不變形，保證密封面平行，保持密封能力。
以往機(jī)械密封O形圈材料僅能承受20h以上288℃高溫，但無法滿足SBO事故工況要求;新型O形圈材料已能承受300℃以上高溫，配備新型O形圈的機(jī)械密封能滿足在最高溫度325℃、連續(xù)運(yùn)行360小時(shí)，泄漏量不超過180L，滿足SBO事故工況要求。但應(yīng)用此材料主泵軸密封為三級(jí)流體動(dòng)壓機(jī)械密封，三級(jí)密封按一定比例承受一回路高壓，每級(jí)密封均能單獨(dú)承受一回路全壓;第一級(jí)密封和第二級(jí)密封的正常高壓泄漏和低壓泄漏由RCV系統(tǒng)回收，第三級(jí)密封泄漏由RPE系統(tǒng)管線回收，正常運(yùn)行時(shí)，第三級(jí)密封泄漏幾乎為零;當(dāng)?shù)谌?jí)密封失效時(shí)，造成第二級(jí)密封后正常泄漏流體通過RPE管線吸收，當(dāng)RPE管線流量無法滿足時(shí)，造成反應(yīng)堆冷卻劑泄漏。
(四)設(shè)置停車密封。
為防止在SBO事故工況下主泵軸封泄漏，在原有三級(jí)機(jī)械密封基礎(chǔ)上設(shè)置停車密封。核電用停車密封分非能動(dòng)停車密封和壓縮氮?dú)怛?qū)動(dòng)能動(dòng)停車密封，兩種密封設(shè)置位置不同。國(guó)內(nèi)在役運(yùn)行核電廠主泵三級(jí)機(jī)械密封目前存在流體靜壓型密封和流體動(dòng)壓型密封兩種。流體靜壓型密封第一級(jí)密封為非接觸式密封、第二、三級(jí)為斷面摩擦接觸式密封，第一級(jí)密封承受幾乎全部一回路壓力，第二級(jí)密封僅承受極小壓差，僅當(dāng)?shù)谝患?jí)密封失效后，第二級(jí)密封從端面摩擦接觸式密封轉(zhuǎn)換為流體靜壓密封，短時(shí)間內(nèi)承受一回路壓力。基于以上分析，流體靜壓密封最嚴(yán)重失效在第一級(jí)密封處，可在第一級(jí)密封后、第二級(jí)密封前設(shè)置非能動(dòng)停車密封;當(dāng)SBO工況下時(shí)，失去主泵軸封注入水，一回路高溫水沿泵軸向上涌，通過第一級(jí)密封泄漏到達(dá)非能動(dòng)停車密封，在高溫下非能動(dòng)停車密封可熔支承環(huán)融化，在壓緊環(huán)和一回路高壓下，使主密封環(huán)抱緊泵軸，實(shí)現(xiàn)密封[6]。
此方案僅當(dāng)主泵停轉(zhuǎn)時(shí)投運(yùn)，但在SBO工況初期，主泵失電惰走，此時(shí)非能動(dòng)停車密封投運(yùn)會(huì)導(dǎo)致直接損壞。三級(jí)流體動(dòng)壓密封均為非接觸式密封，按一定比例承受一回路高壓，每級(jí)密封均能單獨(dú)承受一回路全壓，即使某一級(jí)密封失效，仍能保持整個(gè)軸封系統(tǒng)完整。但第三級(jí)密封失效為流體動(dòng)壓型密封最嚴(yán)重失效，需對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。可在第三級(jí)密封后設(shè)置氮?dú)怛?qū)動(dòng)能動(dòng)停車密封，在SBO事故工況下，主泵停車時(shí)，可通過存儲(chǔ)的高壓氮?dú)鈱⑼＼嚸芊庖苿?dòng)環(huán)向上頂起，與泵軸聯(lián)軸器形成密封，保證一回路介質(zhì)不泄露。該密封為能動(dòng)停車密封，可控制在主泵停止后投運(yùn)。
四、結(jié)語
全廠斷電SBO事故中，主泵失去軸封注入水后軸密封存在損壞風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致一回路邊界破壞，引起小LOCK事故，需采取措施防護(hù);為應(yīng)對(duì)SBO事故中失去主泵軸封注入水的風(fēng)險(xiǎn)，增加SBO軸封注入水泵、增加設(shè)備冷卻水泵供電電源的方案，可在全廠失電后為主泵提供應(yīng)急軸封注入，但增加設(shè)備過多和改變廠房布置，使經(jīng)濟(jì)投入增加，且存在發(fā)電機(jī)組帶載失敗風(fēng)險(xiǎn);另外，雖采用耐高溫材料的機(jī)械密封可滿足SBO工況下高溫密封要求，但三級(jí)流體動(dòng)壓機(jī)械密封中第三級(jí)密封存在失效風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合停車密封使用;此外，針對(duì)流體靜壓型密封和流體動(dòng)壓型密封，分別采用非能動(dòng)停車密封和壓縮氮?dú)怛?qū)動(dòng)能動(dòng)停車密封方法，可有效防止全廠失電時(shí)主泵軸密封泄漏，但需在主泵停轉(zhuǎn)后投運(yùn)。
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