机械密封是核电站反应堆冷却剂泵的关键部件。某核主泵机械密封运行过程中,产生了第三级密封前压力下降和密封泄漏量增加的现象。为分析根本原因,采用有限元软件建立了核主泵流体动压型机械密封辅助密封圈的二维轴对称模型。分析了辅助密封圈在安装状态、正常工作压力及全系统压力下的位移分布、Mises应力分布和接触压力分布,研究了密封介质压力对密封圈变形、应力和接触压力的影响规律。结果表明:现有的辅助密封圈能够在正常工况下起到密封作用;辅助密封圈与插入件直接接触,产生了微动磨损;挡圈与插入件间存在间隙,没有发生磨损的可能;辅助密封圈位移、Mises应力、接触压力和接触宽度随密封介质压力的增加而增大;挡圈避免了辅助密封圈被挤入间隙内而损坏。

以核主泵用流体动压型机械密封第三级辅助O形密封圈为研究对象,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机测试其在干摩擦和脂润滑下的摩擦学特性,获得不同润滑工况下滑移速度与摩擦因数关系,同时评估了润滑脂的润滑效果。结果表明:干摩擦条件下,当往复位移固定不变时,频率对摩擦因数影响较小,当往复频率固定不变时,摩擦因数随往复位移增大而增大;当往复位移较小时,润滑脂减摩效果一般,当往复位移增大后,润滑脂润滑效果有所增强。为提高O形密封圈的使用寿命,减小插入件的磨损,应尽量减小泵主轴的轴向跳动,使密封圈接触界面处于黏着状态。

为评估核主泵用流体动压型机械密封辅助密封圈的摩擦力,设计了辅助密封圈的微动试验台架,进行了不同频率和不同往复位移幅值下辅助密封圈的摩擦力测量,分析了往复频率和往复位移幅值对辅助密封圈在正常工作条件下的摩擦力影响规律。试验结果表明,辅助密封圈摩擦力随往复位移幅值的增大先增大后减小,在较大往复频率下,往复频率对摩擦力的影响作用不明显,与辅助密封圈接触的金属配副表面承受周期性交变切应力,易导致表面微动疲劳磨损。

机械密封动静环在热力综合作用下,密封面会发生锥度变形,受不同工况和环境温度的影响,变形量和锥度方向各有不同,会直接影响机械密封的泄漏量和运行寿命。某核电厂主给水泵机械密封在运行期间频繁出现温度异常升高和泄漏水出现黑色石墨的异常问题,对机封长期稳定运行构成严重隐患。利用ANSYS有限元分析软件,对此型号机械密封的受力变形、温度分布和热力综合变形进行了模拟分析,计算出不同工况、不同环境温度下密封面的锥度变形状况,并结合电厂对泄漏量和机械密封运行温度的监测情况,探索机械密封密封环在设计加工或研磨修复过程中的预变形锥度控制需求,为同行电厂重要水泵机械密封的加工设计、研磨修复和可靠性提升提供参考借鉴。

核主泵机械密封受结构限制而无法得到足够的监测信息,导致系统物理模型处于欠定义状态而无法求得定解,即不同部件(密封、节流盘管)的不同特性参数变化可能导致相近的监测结果无法区分。本文提出一种基于概率模型的分析算法,用于在机械密封运行中实时分析其健康状态、发生故障时及时报警并分析其原因。此方法以最大似然系统状态和故障事件概率两种形式给出分析结果。前者推算具有最大概率密度的密封、节流盘管特性参数,并重构系统状态;后者基于采样对用户关注的指定事件计算概率。采用某核电机组约1年时长的真实分压、流量数据对方法进行了检验,发现本文方法得到的结果与停机检修结论及真实监测所得的总低压泄漏量具有较好的一致性。这表明本文方法可有效对核主泵机械密封进行健康监测和故障溯源,具有较高的推广价值。