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壓水堆核電站核二級(jí)安全噴淋泵用機(jī)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(lái)源：四川日機(jī)密封件股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(jí)安全
噴淋泵用機(jī)械密封研制
劉 偉1,2，黃 美 ，李
(1．~t J Jl大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610064；
龍 ，張君凱 ，王 旭
2．四川日機(jī)密封件股份有限公司，四川成都610045)
摘要：文章總結(jié)了一種新型研制的壓水堆核電站核二級(jí)安全殼噴淋泵用機(jī)械密封的技術(shù)特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)輸人、條件分析、方案選型等方
面進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，并利用有限元分析對(duì)端面狀態(tài)進(jìn)行了分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，合理選型和設(shè)置密封參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在該泵的
各類(lèi)事故特殊工況下執(zhí)行預(yù)期功能。
關(guān)鍵詞：核電站；安全殼噴淋泵；機(jī)械密封
中圖分類(lèi)號(hào)：TB42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)性好、可規(guī)?；l(fā)展的重要綠色能源
之一。在負(fù)荷中心規(guī)劃建設(shè)核電機(jī)組，有利于減少環(huán)境
污染。減輕煤炭運(yùn)輸壓力，對(duì)滿(mǎn)足地區(qū)電力需求增長(zhǎng)、
保障能源安全具有重要的意義
國(guó)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(guān)核電設(shè)備制造企業(yè)迎來(lái)了千載難逢的發(fā)
展機(jī)遇。積極研發(fā)核級(jí)泵用機(jī)械密封，對(duì)于打破國(guó)外公
司長(zhǎng)期壟斷核級(jí)泵用機(jī)械密封市場(chǎng)的格局．提高我國(guó)
百萬(wàn)千瓦級(jí)核電裝備的自主化率．促進(jìn)我國(guó)核電關(guān)鍵
設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快．有著重要的意義。
1 設(shè)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(jí)泵．是安全殼
收稿日期：2013—05—28
作者簡(jiǎn)介：劉偉(1986-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事流體機(jī)械
與機(jī)械密封的研發(fā)及應(yīng)用工作。
噴淋系統(tǒng)EAS的組成部分。它位于安全殼內(nèi)，系統(tǒng)的主
要功能是在反應(yīng)堆冷卻劑失水事故以及安全殼內(nèi)蒸汽
管線(xiàn)破裂情況下，將安全殼內(nèi)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(jī)械密封的工況閉
1)工作參數(shù)
安全殼噴淋泵輸送介質(zhì)參數(shù)如表1所示。
表1 介質(zhì)參數(shù)表
9
液壓氣動(dòng)與密封／2013年第07期
由于該機(jī)械密封組件是安全殼噴淋泵在各種運(yùn)行
工況下所必需的輔助設(shè)備．故應(yīng)與泵機(jī)組本身具有相
同的可靠性
機(jī)械密封所屬分類(lèi)為質(zhì)保等級(jí)Q1、抗震類(lèi)別1A、
清潔度等級(jí)B、應(yīng)耐輻照。
2 運(yùn)行條件
泵轉(zhuǎn)速1480r／min
31運(yùn)行要求
泄漏量Q：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)Q~<20mL／h；啟停時(shí)Q≤
40mL／h：極限工況穩(wěn)定時(shí)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(jí)為lT類(lèi)．因此要求機(jī)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(jī)械密封壓蓋要有足夠的剛度以避免變形 密封
壓蓋、螺釘?shù)?，?yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)可靠地防止與軸和軸
套偶然的接觸
1．3 試驗(yàn)考核[41
1)熱沖擊試驗(yàn)
在最大設(shè)計(jì)壓力(3MPa)下，以工作介質(zhì)，進(jìn)行溫度
從7℃上升到120~C，梯度為28℃／min的熱沖擊試驗(yàn)。
2)雜質(zhì)試驗(yàn)
在最大設(shè)計(jì)壓力與溫度下． 以帶有固體雜質(zhì)的
1．25％硼酸溶液為工作介質(zhì)．對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行轉(zhuǎn)速為
1480r／min的持續(xù)性試驗(yàn)
3)耐久性試驗(yàn)
在額定工況下．隨機(jī)組運(yùn)行200h
2 選型與設(shè)計(jì)
安全殼噴淋泵的機(jī)械密封(見(jiàn)圖1)采用的是單端
面、平衡型、靜止式、集裝式的結(jié)構(gòu)型式。靜密封環(huán)應(yīng)設(shè)
計(jì)成封閉運(yùn)轉(zhuǎn)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(lái)，并通過(guò)專(zhuān)門(mén)管線(xiàn)疏排。在密
封損壞時(shí)．降壓環(huán)應(yīng)能夠?qū)⑿孤┫拗圃诓挥绊懕美^續(xù)
運(yùn)行的水平。機(jī)械密封易于接近維修．簡(jiǎn)單拆卸軸承或
密封盒就可以更換．而無(wú)須移動(dòng)電機(jī)
2．1 傳動(dòng)與定位
針對(duì)安全殼噴淋泵的所有運(yùn)行工況與其高可靠性
要求．我們和泵廠(chǎng)項(xiàng)目工程師經(jīng)過(guò)多次磋商與論證．將
軸套傳動(dòng)、軸向定位兩種功能分置．軸套傳動(dòng)方式為鍵
傳動(dòng)．軸向定位方式為軸向臺(tái)階+螺母鎖緊．放棄普通
機(jī)械密封大量使用的傳動(dòng)環(huán)或楔形抱軸器的形式．從
而可更好地應(yīng)對(duì)熱瞬態(tài) 況對(duì)機(jī)械密封的影響．解決
10
了在特殊工況下(尤其在熱沖擊時(shí))傳動(dòng)環(huán)、楔形抱軸
器與軸之間線(xiàn)脹系數(shù)不一致時(shí)引起松脫。
1一軸套2一動(dòng)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(jī)械密封剖面圖
2-2 熱瞬態(tài)的特殊性要求
針對(duì)熱工況的要求．著重考慮高溫?zé)釠_擊對(duì)密封
結(jié)構(gòu)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(jìn)的有限元分析技術(shù)．為安全殼噴淋泵機(jī)械密封的
詳細(xì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)．并進(jìn)行趨勢(shì)性的驗(yàn)證。
2．3 短時(shí)抽空及干摩擦工況
該泵為立式筒袋式多級(jí)泵．在泵組啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)
短時(shí)負(fù)壓工況．并導(dǎo)致摩擦副端面無(wú)潤(rùn)滑
一是采用靜止式的機(jī)械密封．避免負(fù)壓時(shí)抽空給
機(jī)械密封帶來(lái)的危害：二是采用熱導(dǎo)率高與機(jī)械強(qiáng)度
高的石墨材料，降低其環(huán)上熱梯度．減少熱變形，可延
長(zhǎng)使用壽命與提供可靠性
2．4 彈性緩沖的結(jié)構(gòu)型式
采用浮裝式組件的結(jié)構(gòu)．并在動(dòng)環(huán)與靜環(huán)背面與
側(cè)面都設(shè)置O形圈。軸向、徑向都是可以依靠O形圈進(jìn)
行彈性緩沖的．且動(dòng)環(huán)依靠圓柱銷(xiāo)進(jìn)行傳動(dòng)．是間隙配
合，靜環(huán)依靠圓柱銷(xiāo)限位與傳動(dòng)．也是間隙配合。
其中彈簧是靜止的。采用多點(diǎn)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(shù)設(shè)計(jì)上，保
證其有足夠的緩沖能力和補(bǔ)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(bǔ)償力不足時(shí)端面打開(kāi)引起密封
泄漏．避免部分彈簧失彈、變形而失效，保證機(jī)械密封
在事故工況下運(yùn)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?cè)啻蔚絿?guó)內(nèi)核電站
進(jìn)行調(diào)研．了解到有關(guān)核電站泵用機(jī)械密封的材料選
擇情況，根據(jù)密封工況特點(diǎn)、介質(zhì)性質(zhì)及《安全殼噴淋
泵機(jī)械密封的采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)》的規(guī)定，選擇材料如表
2所示
蘭 呈 ： ：
通過(guò)對(duì)以上計(jì)算結(jié)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(duì)照表
2．6 密封安裝、使用、維護(hù)方便
通過(guò)定位塊將動(dòng)、靜部分連接在一起．安裝時(shí)不需
要分解．整體裝入泵腔內(nèi)后取下定位塊即可．簡(jiǎn)便可靠
且定位準(zhǔn)確．避免了現(xiàn)場(chǎng)重新組裝時(shí)引起的裝配精度
下降以及環(huán)境中的粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入密封．從而更容易
保證密封的使用效果
3 優(yōu)化設(shè)計(jì)
初步設(shè)計(jì)完成后，我們對(duì)動(dòng)環(huán)的離心應(yīng)力、介質(zhì)壓
應(yīng)力、環(huán)體溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力等分別進(jìn)行計(jì)算分析，再同
時(shí)對(duì)環(huán)體施加旋轉(zhuǎn)載荷155rad／s，壓力載荷3MPa．和熱
流密度載荷．考查環(huán)體應(yīng)力及變形，各分析結(jié)果分別如
圖2、圖3、圖4、圖5所示。
雷匪
圖2 完整載荷下徑向應(yīng)力 圖3
；
“
，
‘
?
螂_
～ ‘
川
¨ {
、
完整載荷下環(huán)體溫度分布
麓離
圖4 完整載荷下軸向位移 圖5 完整載衙下周問(wèn)厘力
動(dòng)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(shù)為4E一6／cI=，熱導(dǎo)
率為103W／m．K．抗彎強(qiáng)度為400MPa。動(dòng)環(huán)為圓盤(pán)狀似
軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)．計(jì)算時(shí)可沿其軸剖面任取一個(gè)軸向斷面
為計(jì)算對(duì)象
表3 分析結(jié)果
通過(guò)以上的計(jì)算分析．可得出以下對(duì)設(shè)計(jì)工作有
指導(dǎo)性的結(jié)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(yīng)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(shì)．但熱載荷產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)
載荷產(chǎn)生的變形量：
(3)三種載荷都會(huì)在一定程度上使密封面呈收斂
錐狀變形，主導(dǎo)因素仍為熱載荷。
同樣．我們對(duì)靜環(huán)、壓蓋等重要零部件也進(jìn)行了有
限元分析，為設(shè)計(jì)工作提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)與驗(yàn)證。
如：動(dòng)環(huán)的徑向位移最大點(diǎn)在與靜環(huán)接觸面的外徑區(qū)
域，并將達(dá)到0．294E一4m，故在該點(diǎn)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(yīng)力最大值．采用加大倒角過(guò)渡，避免應(yīng)
力集中
4 試驗(yàn)
在2010年9月．完成了安全殼噴淋泵性能試驗(yàn)用
機(jī)械密封零件的加工、制造、裝配。并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)
(基準(zhǔn)試驗(yàn)、極限工況試驗(yàn))，密封運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，無(wú)可
見(jiàn)泄漏量，試驗(yàn)后密封經(jīng)解體檢查，各零件完好．動(dòng)、靜
環(huán)磨損量等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
在2012年底．機(jī)械密封與泵廠(chǎng)制造的安全殼噴淋
泵樣機(jī)一起進(jìn)行了各類(lèi)工況的考核，如雜質(zhì)試驗(yàn)、熱沖
擊試驗(yàn)等。使用效果非常好．滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。
5 結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)安全殼噴淋泵的各類(lèi)工況(尤其是事故
工況)及泵體結(jié)構(gòu)的分析，明確了機(jī)械密封所需達(dá)到應(yīng)
用指標(biāo)．針對(duì)性提出了一類(lèi)新型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)．經(jīng)過(guò)試
驗(yàn)驗(yàn)證可以滿(mǎn)足使用要求：
(2)采用ANSYS軟件對(duì)動(dòng)環(huán)主要零部件進(jìn)行了有
限元分析．研究了各類(lèi)載荷對(duì)應(yīng)力分布和變形的影響，
11
液壓氣動(dòng)與密封／2013年第07期
壓力容器液相流體泄漏實(shí)驗(yàn)研究
任榮亭，韓兵奇，韓正偉，張 軍
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東東營(yíng)257061)
摘 要：目前，國(guó)內(nèi)對(duì)壓力容器液相泄漏理淪分析較多，而實(shí)驗(yàn)研究較少。為了探尋其實(shí)際泄漏規(guī)律，建立了交際壓力容器泄漏實(shí)驗(yàn)?zāi)M
系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的泄漏規(guī)律大致相同，只是泄漏速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比理論計(jì)算值變化更快。
關(guān)鍵詞：壓力容器；液相泄漏；實(shí)驗(yàn)與理論對(duì)比分析；泄漏量梯度；泄漏速j棼
中圖分類(lèi)號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chǎn)品大多具有易燃、易爆、
腐蝕、毒性等多種危害性。其儲(chǔ)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(zhì)
可能引起燃燒、爆炸或中毒事故，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污
染，影響管道的正常運(yùn)行，造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失
目前為之．國(guó)內(nèi)對(duì)壓力容器泄漏的理論分析[1-2]較多．而
實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)報(bào)道甚少 因此．必須對(duì)壓力容器的安
全性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備
整套實(shí)驗(yàn)裝置由儲(chǔ)罐單元、動(dòng)力單元(泵及壓縮
收稿日期：2013-05—23
作者簡(jiǎn)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(shù)及分析儀器的研發(fā)工作
為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)：
(3)在動(dòng)環(huán)的有限元分析中．可以得出熱載荷的影
響最大，介質(zhì)壓力、離心力和熱載荷都會(huì)在一定程度上
使密封面呈收斂錐狀變形，但主導(dǎo)因素仍為熱載荷：
(4)同時(shí)，在分析中還可以看出，熱載荷與離心力和
介質(zhì)樂(lè)力可以實(shí)現(xiàn)一定的耦合．減小端面應(yīng)力及變形
12
機(jī))、氣液實(shí)驗(yàn)管道及支架單元、泄漏模塊單元(壓力容
器)、溫度影響測(cè)試單元、安全保護(hù)單元、測(cè)量?jī)x表和數(shù)
據(jù)采集及處理單元組成．如圖1所示。
儲(chǔ)罐單元包括儲(chǔ)液罐、緩沖罐．采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材
質(zhì)氬弧焊焊接而成 動(dòng)力單元選用優(yōu)質(zhì)高壓力輸出空
氣壓縮機(jī)和高壓三缸柱塞泵 實(shí)驗(yàn)管道及支架單元設(shè)
計(jì)為氣液管道5層分布．額定壓力2MPa．最高耐壓
5MPa．管道總長(zhǎng)達(dá)100m．以便更真實(shí)地模擬輸送管線(xiàn)
的泄漏情況。泄漏模塊單元其實(shí)為一儲(chǔ)罐(見(jiàn)圖2)．其
上分別在距離容器下端550mm和956mm處各開(kāi)有一
個(gè)2．5mm和3mm&amp;amp;TL模擬泄漏 為了對(duì)誤操作及各種
因素引起的系統(tǒng)超壓進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)．確保整套實(shí)驗(yàn)系
統(tǒng)的安全．在液路管道上設(shè)置了安全閥，并對(duì)泵及壓縮
機(jī)設(shè)置超壓自動(dòng)保護(hù)功能 數(shù)據(jù)采集及處理單元各模
塊間的數(shù)據(jù)交換采用全局變量、參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)表或數(shù)據(jù)
文件進(jìn)行，易于修改和維護(hù)。
參 考 文 獻(xiàn)
f11 深圳中廣核T 程設(shè)計(jì)有限公司．安全殼噴淋泵技術(shù)規(guī)格書(shū)
『Z1．深圳：深圳中廣核T程設(shè)計(jì)有限公司，2007．
『21 中科華核電技術(shù)研究院有限公司．壓水堆核電站核級(jí)機(jī)械密
封研制任務(wù)書(shū) ．深圳：中科華核電技術(shù)研究院有限公司，2009．
[3】JB／T 4127．1-1999，機(jī)械密封技術(shù)條件『S1．
『41 GB／T 1421 1—1993，機(jī)械密封試驗(yàn)方法fS]．

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