核电站一回路用机械密封

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1、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

2、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

3、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，

4、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

5、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，Allair

6、e［6］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，Mayer[7]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，Galenne[8]等、brunitere[9、10]等和Djamai[11]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

7、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

8、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