詳細(xì)介紹適用于CPR1000壓水堆核電站核級(jí)泵用機(jī)械密封(除主泵機(jī)械密封外)樣機(jī)的鑒定方法、鑒定內(nèi)容、驗(yàn)收準(zhǔn)則及一般鑒定程序，已成功應(yīng)用于我國(guó)核級(jí)泵用機(jī)械密封樣機(jī)的研制。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該鑒定規(guī)則具有很強(qiáng)的可操作性和普遍的可接受性，在核級(jí)泵用機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

　　隨著核電行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)核電裝備的國(guó)產(chǎn)化要求越來(lái)越高。近年來(lái)我國(guó)核電裝備國(guó)產(chǎn)化水平迅速提高，基本實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反應(yīng)堆主管道、核二三級(jí)泵閥、K3電機(jī)等一批關(guān)鍵設(shè)備的自主制造。CPR1000核電機(jī)組是我國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主施工、自主建設(shè)的核電品牌，其核電裝備大量使用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到80%以上。但同時(shí)，很多關(guān)鍵設(shè)備的零部件、重要材料仍然依賴進(jìn)口，如主泵機(jī)械密封、K1級(jí)電機(jī)、高溫耐輻照橡膠圈等。近兩年，為了推動(dòng)核電裝備國(guó)產(chǎn)化向深度和廣度發(fā)展，國(guó)家對(duì)核電裝備重要零部件的國(guó)產(chǎn)化給予大力支持，成功實(shí)現(xiàn)了核級(jí)泵用機(jī)械密密封、閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等重要零部件的國(guó)產(chǎn)化。

　　本文針對(duì)核級(jí)泵用機(jī)械密封(除主泵機(jī)械密封外)國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的鑒定進(jìn)行介紹，闡述機(jī)械密封的鑒定方法、鑒定內(nèi)容、驗(yàn)收準(zhǔn)則以及相關(guān)文件的編制等內(nèi)容。

1、核級(jí)泵用機(jī)械密封鑒定概述

　　1.1、基本結(jié)構(gòu)形式

　　對(duì)于核級(jí)泵用機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為除考慮使用工況、安裝空間等方面的因素，根據(jù)核電站特殊的使用條件，還需考慮以下四個(gè)方面：①放射性廢物是否會(huì)增加;②維修時(shí)間盡量短，盡量減小維修人員的受輻照劑量;③具有高度可靠性;④通過(guò)密封正常泄漏的可能存在的放射性廢物是否會(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在污染。

　　綜以所述，盡管雙端面、串聯(lián)等形式的機(jī)械封密封效果較好，但其安裝空間較大，維修時(shí)間相對(duì)增長(zhǎng)，并引入封液，需額外增加封液系統(tǒng)，使機(jī)械密封系統(tǒng)復(fù)雜化，導(dǎo)致可靠性下降并增加放射性廢物。因此，在滿足使用要求的情況下，核泵用機(jī)械密封(除主泵機(jī)械密封外)盡量選用單端面、集裝式密封結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)大亞灣、嶺澳核電站多年的使用業(yè)績(jī)證明，單端面、集裝式的機(jī)械密封能夠很好滿足核級(jí)泵的使用要求，因此，在CPR1000機(jī)組的核級(jí)泵用機(jī)械沿用單端面、集裝式密封結(jié)構(gòu)(表1)。

表1 CPR1000機(jī)組核級(jí)泵用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式

　　1.2、鑒定的定義

　　從廣義的設(shè)備鑒定來(lái)說(shuō)，鑒定即為確保設(shè)備一經(jīng)要求就能投入運(yùn)行且滿足系統(tǒng)性能要求的證據(jù)的產(chǎn)生與維持。作為核級(jí)泵重要且脆弱的零部件的機(jī)械密封來(lái)說(shuō)，鑒定就是確保不會(huì)因?yàn)闄C(jī)械密封的失效引發(fā)核級(jí)泵的故障和不可用，保證核級(jí)泵在正常及事故工況下滿足預(yù)定的性能要求。

　　1.3、鑒定方法

　　對(duì)于機(jī)械密封的研發(fā)或進(jìn)行重大改動(dòng)的機(jī)械密封，需采用試驗(yàn)、類比、分析及經(jīng)驗(yàn)反饋的方法對(duì)其進(jìn)行鑒定。對(duì)于機(jī)械密封的鑒定可單獨(dú)使用試驗(yàn)或類比方法對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行，但不能單獨(dú)使用分析或經(jīng)驗(yàn)反饋法，此兩種方法須結(jié)合試驗(yàn)或類比法使用。

　　(1)試驗(yàn)法，把一個(gè)或一類能代表電站現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)械密封進(jìn)行一系列試驗(yàn)，這些試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)能夠模擬實(shí)際運(yùn)行工況及電站運(yùn)行中可能出現(xiàn)的事故環(huán)境工況。

　　(2)分析法，綜合采用定性或定量推理方法證明設(shè)備執(zhí)行其安全功能的能力，該方法用來(lái)鑒定由于尺寸、環(huán)境參數(shù)以及其他限制原因不可能采用試驗(yàn)法的設(shè)備。

　　(3)類比法，應(yīng)用邏輯推理的方法證明要鑒定的設(shè)備與一已經(jīng)通過(guò)鑒定的設(shè)備類似。

　　(4)經(jīng)驗(yàn)反饋法，根據(jù)在常規(guī)工業(yè)中的情況來(lái)推斷在核電站中執(zhí)行其安全功能的能力。

　　(5)混合法，主要是混合使用試驗(yàn)法、分析法、經(jīng)驗(yàn)反饋法等方法進(jìn)行的設(shè)備鑒定。

　　1.4、鑒定內(nèi)容及要求

　　CPR1000核級(jí)泵用機(jī)械密封試驗(yàn)法鑒定的具體內(nèi)容可分為基準(zhǔn)試驗(yàn)與檢查、極限試驗(yàn)、性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)與事故試驗(yàn)等階段。

　　1.4.1、基準(zhǔn)試驗(yàn)與檢查

　　在鑒定試驗(yàn)開始前，需對(duì)機(jī)械密封零部件進(jìn)行必要的目視檢查及關(guān)鍵零部件的關(guān)鍵特性參數(shù)的檢查，如O形圈的內(nèi)徑、截徑與硬度、彈簧的自由高度與剛度、密封環(huán)的原始尺寸、機(jī)械密封額定工況下的運(yùn)行力矩等。對(duì)于高轉(zhuǎn)速(3600r/min以上)的機(jī)械密封，需要進(jìn)行動(dòng)平衡檢查。進(jìn)行以上的檢查主要目的是確保機(jī)械密封的零部件符合設(shè)計(jì)要求且完好和確定設(shè)備的基準(zhǔn)參數(shù)，為后續(xù)的檢查做參考。

　　對(duì)機(jī)械密封的基準(zhǔn)試驗(yàn)需要完成靜壓試驗(yàn)與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。靜壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力為產(chǎn)品最高使用壓力的1.25倍，保壓30分鐘。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力為產(chǎn)品最高使用壓力，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5小時(shí)。

　　對(duì)于CPR1000機(jī)組使用的機(jī)械密封靜壓試驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)泄漏率的推薦值見(jiàn)表2。其中CPR1000機(jī)組中所用核二級(jí)、核三級(jí)泵的軸徑范圍基本確定，因此不再考慮軸徑的影響。

表2 基準(zhǔn)試驗(yàn)泄漏率推薦值

　　1.4.2、極限工況試驗(yàn)

　　由于核電站廠外電源以及廠內(nèi)應(yīng)急電源供電頻率均存在一定的變化范圍(表3)，對(duì)于需要廠外電源以及廠內(nèi)應(yīng)急電源供電的設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮由于電源頻率波動(dòng)而帶來(lái)的影響。核二、三泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮由于供電頻率波動(dòng)而引起的超速，同樣，對(duì)于泵用機(jī)械密封也需考慮供電頻率波動(dòng)而引起的超速。對(duì)于機(jī)械密封的鑒定，也應(yīng)模擬這一工況，以驗(yàn)證機(jī)械密封在超速工況下的性能。

　　對(duì)于CPR1000機(jī)組而言，其所有的核二級(jí)泵以及設(shè)備冷卻水泵、乏燃料水池循環(huán)泵等核三級(jí)泵所用機(jī)械密封，需完成事故工況下的電源最高頻率(57.5Hz)對(duì)應(yīng)極限轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，并運(yùn)轉(zhuǎn)20分鐘。

表3 電源頻率的正常和異常范圍

　　1.4.3、性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)

　　進(jìn)行性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)設(shè)備的可靠性、設(shè)備性能隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)以及暴露無(wú)法預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)缺陷，而不是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定設(shè)備運(yùn)行壽命。這些試驗(yàn)的種類一般是由設(shè)備顯著老化機(jī)理的種類來(lái)確定。

　　對(duì)于機(jī)械密封需要考慮由于運(yùn)行工況變化所引起的各類應(yīng)力對(duì)其性能的影響，以及通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行試驗(yàn)來(lái)獲得設(shè)備性能隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

　　(1)變工況試驗(yàn)

　　變工況試驗(yàn)需完成三個(gè)過(guò)程：①溫度、轉(zhuǎn)速固定(額定工況)，壓力(P)逐級(jí)變化;②壓力、溫度固定(額定工況)，轉(zhuǎn)速(n)逐級(jí)變化;③壓力、轉(zhuǎn)速固定(額定工況)，溫度(T)逐級(jí)變化。以上每個(gè)過(guò)程至少進(jìn)行5個(gè)小時(shí)，參數(shù)由最低至最高點(diǎn)至少要求包含4個(gè)級(jí)別，在最高參數(shù)點(diǎn)至少運(yùn)行1個(gè)小時(shí)。如圖1所示。試驗(yàn)期間的泄漏量推薦值不超過(guò)表2中運(yùn)行試驗(yàn)泄漏率的兩倍。

　　(2)長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)

　　為獲得設(shè)備性能隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，核級(jí)泵用機(jī)械密封至少進(jìn)行1100小時(shí)的長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間進(jìn)行不少于50次啟停。長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)條件應(yīng)盡量滿足要求：①轉(zhuǎn)速與泵正常轉(zhuǎn)速相同;②與泵運(yùn)行工況相同的壓力與溫度;③與泵運(yùn)行期間相同的壓力與溫度變化;④試驗(yàn)期間徑向軸位移幅度與泵組運(yùn)行時(shí)相當(dāng)(若可能);⑤對(duì)于余熱排出泵、上充泵、安全殼噴淋泵及低壓安注泵所用機(jī)械密封的長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)還應(yīng)包含至少400小時(shí)的高溫試驗(yàn)(泵組可能運(yùn)行的最高溫度)。試驗(yàn)期間需要定期測(cè)量機(jī)械密封的振動(dòng)及泄漏量，試驗(yàn)后測(cè)量密封端面磨損量。

圖1 試驗(yàn)步驟

　　1.4.4、事故試驗(yàn)

　　事故試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證設(shè)備能夠地震荷載下(要求時(shí))及事故環(huán)境條件下能夠完成其規(guī)定的功能。但由于機(jī)械密封是地震不敏感設(shè)備，不需要對(duì)其在地震荷載下的功能進(jìn)行論證，其主要原因?yàn)椋孩贆C(jī)械密封一般安裝在泵軸與密封腔之間，泵軸的載荷一般通過(guò)軸承來(lái)傳遞，不是機(jī)械密封，因此機(jī)械密封在設(shè)計(jì)上就不在載荷(包括地震力)的傳遞路徑上[3];②機(jī)械密封一般設(shè)計(jì)有彈性補(bǔ)償元件，對(duì)于地震引起的振動(dòng)具有較強(qiáng)的抵抗能力。

　　(1)輻照試驗(yàn)

　　由于核級(jí)泵所用的機(jī)械密封所接觸輸送液體具有不同程度的放射性，因此需要對(duì)使用的材料進(jìn)行必要的驗(yàn)證，特別是用于事故緩解的安全設(shè)施泵組所用的機(jī)械密封。對(duì)于CPR1000機(jī)組中余熱排出泵、上充泵、安全殼噴淋泵以及低壓安注泵所用機(jī)械密封需要考慮材料耐輻照的要求，特別是輻照敏感的橡膠密封圈以及其他非金屬部件。這些零部件均需完成特定劑量的輻照試驗(yàn)，以證明其能夠滿足機(jī)械密封的使用要求。

　　(2)熱沖擊試驗(yàn)

　　在核電站發(fā)生失水事故或蒸汽管道破裂事故下，會(huì)啟動(dòng)安注系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)對(duì)事故進(jìn)行緩解，由于換料水箱(PTR水箱)的容積有限，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵的供水水源最終會(huì)從換料水箱跟換到安全殼地坑，從而進(jìn)入安注、安全殼噴淋的再循環(huán)階段。然而，水源的切換會(huì)造成設(shè)備所輸送介質(zhì)溫度的瞬時(shí)改變，瞬時(shí)溫差可能會(huì)高達(dá)到113℃。在事故工況下，余熱排出泵也有可能經(jīng)受如圖2所示的介質(zhì)熱沖擊。

圖2 余熱排出泵承受的溫度波動(dòng)

　　因此，為了驗(yàn)證機(jī)械密封具有耐冷熱沖擊的能力，余熱排出泵、高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵以及低壓安注泵用機(jī)械密封需要進(jìn)行耐熱沖擊試驗(yàn)。對(duì)于CPR1000機(jī)組，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵和余熱排出泵所用機(jī)械密封熱沖擊試驗(yàn)條件如下：①對(duì)于高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵用機(jī)械密封，需要進(jìn)行不少于3次的熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)入口水溫由7℃瞬時(shí)(≤10s)升高到不低于120℃，并在該溫度運(yùn)行4h;然后降至60℃，并在該溫度運(yùn)行4h;②對(duì)于RRA泵用機(jī)械密封，熱沖擊試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段試驗(yàn)介質(zhì)溫度由20℃瞬時(shí)(≤10s)升高到不低于190℃，并在該溫度上運(yùn)行4h，然后降至60℃，在該溫度運(yùn)行4h;第二階段試驗(yàn)介質(zhì)溫度由190℃瞬時(shí)(≤10s)降低到不高于80℃，并在該溫度運(yùn)行4h。上述試驗(yàn)至少反復(fù)進(jìn)行3次。

　　(3)雜質(zhì)試驗(yàn)

　　當(dāng)電站進(jìn)入再循環(huán)階段時(shí)，水源由從換料水箱跟切換到安全殼地坑，而地坑水含有大量的雜質(zhì)，對(duì)機(jī)械密封的耐磨蝕、耐雜質(zhì)顆粒的能力提出了較高的要求。所以需要對(duì)機(jī)械密封的耐磨蝕、耐雜質(zhì)顆粒的能力進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)于CPR1000機(jī)組，高壓安注泵(上充泵)、安全殼噴淋泵、低壓安注泵和余熱排出泵用機(jī)械密封，至少需進(jìn)行100小時(shí)雜質(zhì)試驗(yàn)，泵雜質(zhì)試驗(yàn)條件為[6]試驗(yàn)介質(zhì)溫度不低于120℃。試驗(yàn)介質(zhì)特性為：①過(guò)濾閾值，網(wǎng)格過(guò)濾器2.1mm×2.1mm;②重量濃度為500mg/kg;③雜質(zhì)顆粒混合物組分為，以2.1mm過(guò)濾的碎混凝土300mg/kg，保溫材料(碎玻璃棉)100mg/kg，砂60mg/kg，碎玻璃10mg/kg，脫落油漆30mg/kg。

2、鑒定文件

　　在完成上述試驗(yàn)后，應(yīng)編寫鑒定總結(jié)報(bào)告，作為機(jī)械密封樣機(jī)鑒定的結(jié)論性文件，鑒定總結(jié)報(bào)告至少包括下述內(nèi)容：

　　(1)已鑒定樣機(jī)的標(biāo)識(shí)資料;

　　(2)確定鑒定的組織機(jī)構(gòu)名稱;

　　(3)確定鑒定的方法和特定規(guī)格書的基準(zhǔn)文件;

　　(4)各個(gè)鑒定階段的記錄和結(jié)果;

　　(5)鑒定期間發(fā)生的事件(不滿意的結(jié)果、設(shè)備故障)記錄，以及后續(xù)行動(dòng)的簡(jiǎn)明報(bào)告(修改說(shuō)明、重新開始試驗(yàn)的條件、補(bǔ)充試驗(yàn)等);

　　(6)宣布樣機(jī)質(zhì)量鑒定要求或提出不符合項(xiàng)的要點(diǎn)。

3、小結(jié)

　　本文對(duì)核級(jí)泵用機(jī)械密封的鑒定方法、鑒定內(nèi)容及鑒定程序作了重點(diǎn)闡述。鑒定的內(nèi)容可分為基準(zhǔn)試驗(yàn)與檢查、極限試驗(yàn)、性能隨時(shí)間變化試驗(yàn)與事故試驗(yàn)等幾個(gè)階段。本文論述的鑒定規(guī)則具有很強(qiáng)的可操作性和普遍的可接受性，已經(jīng)實(shí)際指導(dǎo)了多種核級(jí)泵用機(jī)械密封的鑒定，對(duì)核級(jí)泵用機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化具有重要的指導(dǎo)意義。