核电站一回路用机械密封.doc

机械密封用于核电站回路 蒋巍明 （长沙理工大学）摘 要:机械密封在各类核电站的一回路中有大量应用核电站一回路用机械密封是核电站的关键部件之一，其性能好坏很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行 本文以几种具有代表性的核电站反应堆堆型为例，对其一回路用机械密封进行了介绍，这些反应堆分别以水氦气和液态金属为冷却剂并跨越第二代到第四代核电技术首先介绍了压水堆核主泵机械密封，分别叙述了美式风格的流体静压型核主泵密封及欧式风格的流体动压型核主泵密封的结构特点工作原理和最新的基础研究状况; 随后介绍了高温气冷堆氦气轮机 氦气风机干气密封的结构特点使用要求及相应的针对性设计; 最后介绍了钠冷快堆钠泵机械密封，包括1种惰性气体缓冲油膜润滑的三级串联式机械密封和1种直接以液态金属润滑的螺旋槽式机械密封。关键词: 核电站; 核主泵; 氦风机; 钠泵; 机械密封 核电正在世界范围内迎来新一轮的高速发展在控制温室气体排放发展低碳经济的大趋势下，我国也正在大力推进核电建设，核电已经成为国家发展规划中低碳能源供应的重要支柱1。 从20世纪50年代末至60年代初，世界上建造的第一批原型核电站以来，核电技术的发展已经经历了第一代第二代，目前正在向第三代乃至第四代迈进2，3 、风机、压缩机、汽轮机、燃气轮机等转动设备，为解决其带来的冷却剂密封问题，工程上通常有2种方案: 一是采用轴封型设备，其轴密封为高可靠性核级机械密封; 二是将泵等设备的驱动电机整体置于一回路压力壳内，这样就将动密封转化为静密封，或者说避免了动密封其中后者为零泄漏，并使外部辅助系统大大简化，从理论上无疑是更安全和更先进的，但这种方案将技术难点转移到了电机和轴承等设备或部件上例如，对于压水堆，冷却剂泵( 核主泵) 电机必须采用屏蔽式或湿定子式，而主泵轴承则必须全部采用水润滑轴承; 对于蒸汽透平循环的高温气冷堆，氦气风机主轴轴承需使用电磁轴承等无油式轴承 由于此类电机和轴承技术难度大制造成本高，特别是大功率大尺寸条件下，工作效率和可靠性的问题较难解核电站反应堆种类较多，可分为轻水堆( 包括压水堆和沸水堆) 重水堆石墨气冷堆和快中子增殖堆等核电站原则性热力系统一般可分为种4: 单回路双回路和三回路系统单回路系统中，工质直接由反应堆进入汽轮机或燃气轮机，如沸水堆和采用氦气透平直接循环方式的高温气冷堆;双回路系统中，反应堆热量由一回路经蒸汽发生器传给二回路工质产生蒸汽，再推动汽轮机做功，压水堆和采用蒸汽透平循环方式的高温气冷堆属于此类型; 三回路系统则更复杂一些，主要堆型为快中子增殖堆不论何种热力系统及堆型，均需要冷却剂将堆芯中核裂变产生的热量带出以冷却堆芯并进行后续发电过程，这一冷却回路即为一回路系统，是核电站反应堆的核心系统以三菱公司的一种二代改进型。压水堆核电站为例5，其一回路主系统( 包含4个环路) 包括堆芯蒸汽发生器稳压器核主泵及管道等部分。 反应堆一回路系统中进行循环的冷却剂常常具有高温高压强放射性等特点，必需严格控制冷却剂的泄漏由于一回路循环系统中存在着泵决，因此应用了机械密封的一回路系统目前仍占据着主导地位。1. 相关机理和技术研究情况 压水堆核主泵机械密封的研究工作，在核电技术发展的早期就已开始直至今日，轴密封工作机理及改进技术的研究仍是压水堆核主泵研究领域内的重点和难点。1984年，Allaire6曾对六十年代至当时的核主泵非接触式机械密封的研究文献进行过较为全面的总结和整理，其中包括了密封环变形及其影响分析密封端面非平行或偏心情况讨论密封设计经验及其他相关研究等内容。1989年，Mayer7等系统地阐述和比较了在美国、法国、西德、日本运行的核电站主泵密封的结构特征、工作机理、密封环材料等方面的异同。进入21世 纪 以 来，Galenne8等、brunitere9、10等和Djamai11等及对流体静压型流体动压型机械密封的工作机理进行了较为深入的研究，他们以影响系数矩阵的方法引入密封环力变形和热变形的影响，建立了流固热耦合分析模型。国内的核主泵密封研究由于起步较晚，目前的研究成果和水平相对国外还有差距核主泵密封的机理和技术研究尚未完善和成熟，基于最新数学力学传热学理论以及计算技术的更为精确的数值仿真方法基于声发射技术等的先进的密封故障诊断和预报技术 特殊或灾变工况下的密封完整性和行为预测一些特殊的物理化学机制导致的密封性能偏离正常值12、13等众多问题尚有待深入研究。2高温气冷堆氦气轮机风机机械密封 球床高温气冷堆( 以下简称高温气冷堆) 被认为是新一代先进核能系统的优选技术2，这种核能系统具有良好的固有安全性，在事故下不会对公众造成损害，在经济上能够和其他发电方式竞争，并具有建设期短等优点高温气冷堆以石墨为慢化剂，氦气为冷却剂高温气冷堆通常有单回路和双回路两种热力循环型式14单回路式如氦气透平直接循环方式: 氦气冷却剂由反应堆堆芯加热后直接引入氦气轮机带动发电机发电，这种循环方式理论上效率较高，但存在目前尚难以完全解决的技术难题双回路式如蒸汽透平循环方式( 或称间接循环) ，非常类似于压水堆的循环方式: 反应堆热量由一回路冷却剂由反应堆堆芯带至蒸汽发生器，由蒸汽发生器传输给二回路工质产生蒸汽，再推动汽轮机做功发电，这种间接循环方式相对于直接循环效率较低，但技术较为成熟下面分别讨论这两种循环方式中氦气轮机和氦气风机的轴密封问题。图1为采用氦气透平直接循环方式的南非PBMR系统图15，它主要包括反应堆、堆芯压缩机、氦气透平回热器、发电机等，其中压缩机、氦气透平发电机、联接在一 图1 根轴上在压缩机氦气 轮机两端的A、B、C、D处均设置了干气密封，以限制氦冷却剂的泄漏这些位置的介质温度较高，现有干气密封16尚不能直接承受，需在干气密封前端进行一些技术处理，将其温度降至干气密封容许的温度南非PBMR使用的干气密封为石化工业中较为常见的二级串联式干气密封，如图 2所示以机内氦气过滤后引至一级密封入口，其中大部分经 图2 宫密封流回机内，剩余部分通过一级密封泄漏至一二级中间腔中间腔与氦气回收系统连通，因此二级密封的入口压力取决于氦气回收系统的压力，最终由二级密封泄漏至环境中的氦气，可通过调节氦气回收系统压力进行控制在二级密封外侧，设置了一道迷宫密封并以空气反冲，以防止轴承油雾污染二级密封端面在一级密封出现失效等事故工况时，二级密封可以承受全压，保证氦气冷却剂不致发生大量泄漏。相对于其他常见的干气密封，氦气轮机氦气风机干气密封有一些特殊性: 首先，密封环和辅助密封需选用满足核电站许用材料规范具有耐辐照性能( 需要说明的是，高温气冷堆密封处的辐照强度较压水 堆要小很多) 氦气静密封性良好的材料; 其次，由于氦气价格昂贵，干气密封的设计上需尽量减小氦气的消耗。3钠冷快堆钠泵机械密封快堆即快中子增殖堆，这种反应堆不用慢化剂，直接用裂变产生的快中子来引发核裂变链式反应，并能增殖核燃料，可以充分利用铀资源，同时核废料中长寿命核素大大减少快堆冷却剂需具有传热性能好不会慢化中子的性质，目前主要为液态金属和氦气液态钠的传热性能非常好，是快堆较理想的冷却剂，因此钠冷快堆是目前快堆中较为常见的类型钠冷快堆属于第四代先进核能系统堆型，目前由于存在着造价较高钠空泡效应钠水反应等问题尚处于实验阶段，但有望很快成为成熟堆型我国也非常重视钠冷快堆技术，上世纪六十年代即开始了快堆研究，2010 年 7月21 日，中国核工业集团公司在北京宣布，由中国原子能科学研究院研发的中国实验快堆已成功临界。钠冷快堆一般采用三回路式的热传输系统 其一回路循环介质为有放射性的液态钠，二回路循环介质为无放射性液态钠，三回路循环介质为水钠冷快堆一回路系统由堆芯主泵( 一次钠泵) 热交换器主管道和其他部分组成一次钠泵是钠冷快堆的关键设备之一，在正常工况下，一次钠泵需确保一回路冷却剂钠的循环以将堆芯的热量带走外; 在紧急停堆时，仍需要低速运行，以使堆芯温度不至过高与其他反应堆一回路主循环泵的不同之处在于，钠冷快堆长期停堆时，为保证一回路钠温度不要太低( 保证250以上) ，同样要求其低速运行 钠泵可采用电磁泵或机械泵，但在大功率的原型堆和商业堆中，一般使用效率较高的轴封型机械泵由于钠活性强，遇水或空气会发生爆炸，因此钠泵和密封的设计需严格保证液态钠的零泄漏。图3为500MW快堆原型堆( PFBR) 的一次钠泵简图17，这种钠泵的密封为气体缓冲/油膜润滑的机械密封，是钠泵密封1种最常见的型式图 图3 为这种密封的1个试验装置18这种钠泵及其密封的基本特点是: 在钠泵的外壳内保持1个液态钠的自由液面，上部充满氩气，在距离钠液面一定高度处设有三级机械密封，每两级相邻机械密封之间的腔体充满可进行冷却的润滑油，以润滑和冷却机械密封这种形式的密封避免了密封与温度高达400500的液态钠的直接接触，消除了对材料、结构等方面的诸多苛刻限制，使之可以使用常规的机械密封设计，并能很好地实现液态钠对环境的零泄漏但这种设计由于必须使密封远离高温液态钠，从而不可避免地增大了泵的轴向高度。以上述PFBR钠泵为例，其总体高度达到约17m，而其泵轴长度通常可以达到压水堆核主泵泵轴长度的2倍，这样就使得钠泵的总体造价大幅增加，对钠冷快堆的整体经济性造成不利影响。与其他核电站一回路用机械密封不同，钠泵密封的工作介质工作环境独特，类似的应用条件在非核领域较为少见，因此其在机理和技术研究上相对而言更加不够成熟和不够完善鉴于钠泵密封对钠冷快堆安全可靠运行的重要性，钠泵密封的深入研究亟待开展。4结束语 机械密封广泛存在于第二代到第四代核电站反应堆一回路中，本文以几种具有代表性的核电站一回路用机械密封压水堆核主泵密封、高温气冷堆氦气轮机？氦气风机/气密封钠冷快堆一次钠泵密封为例，对机械密封的结构功能及工作原理进行了介绍。核电站一回路系统中应用的机械密封大都工作于高温、高压、高辐射等类型的苛刻条件下，且必须满足高可靠性要求，因此常常是核电站中技术难度和保密程度最高的关键部件之一，其性能好坏在很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行目前我国各类核电站使用的一回路机械密封以引进国外技术为主，自身的研究力量和研究基础还较为薄弱显而易见的是，进行自主的基础研究和技术开发并由此形成知识储备和技术力量，对于我国消化吸收引进核电站一回路机械密封技术乃至进行自主创新有决定性作用因此，加强相关研究的人力和物力投入，并进一步由此形成各代核电站关键密封产品的设计和生产能力，不仅能够形成可观的经济效益，而且对我国未来的核能发展和能源安全具有重大战略意义。参考文献1 赵仁恺.从核电科技的发展历程看当前我国核电发展的技术路径J.科技导报，2007 ，25: 12 吴宗鑫，张作义.世界核电发展趋势与高温气冷堆J核科学 与工程，2000 ，20 ( 3) :211-2193 Tim Abram,Sue Lon.Generation-IV nuclear power:A review of the state of the state of the science J. 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