核電站主泵機械密封失效分析

卞 偉

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

重水堆核電站的一回路循環系統主泵為軸密封泵，采用三級流體動壓機械密封的方式進行密封，每一級密封結構基本相同，承擔壓差均為3.2 MPa 左右[1]。單級的機械密封副分動環與靜環兩部分，動環材質為碳化鎢合金，靜環材質為核級石墨，均為加拿大進口產品。動環與靜環摩擦副凸臺內圈和外圈均布有半圓形流體動壓槽[2]，安裝時的間隙大小主要通過動環座內的密封彈簧壓縮量來調節。當主泵正常運行時，靜環保持不動，動環隨主軸高速旋轉，通過熱流體動力楔效應，兩摩擦副凸臺端面產生約為十幾μm 的液膜，實現對一回路循環水的密封[3-7]。流體動壓密封主泵的優點主要包括泄漏量小、抗干擾能力強等，其缺點則主要為設計制造較為復雜、對轉速變化敏感等[8]。

核電廠主泵密封一旦發生失效，反應堆必須應急停堆進行維修[9]，對電廠造成較大的經濟損失。同時，由于核電廠拆卸下來的失效樣品大部分具有放射性，理化檢驗過程中需要充分考慮輻射屏蔽的問題，大大增加檢驗的難度，國內鮮有核電廠主泵機械密封失效分析案例方面的有關報道。

本研究通過對核電廠主泵實際運行中發生失效的機械密封環進行宏觀形貌、斷口宏微觀形貌、金相組織、化學成分、硬度及尺寸測量等檢測，結合密封環的操作和運行歷史，查找密封環的失效原因，可有效地幫助核電運維人員理解機械密封的失效原因和模式，對核電廠運行安全、提高經濟性具有較高的參考價值。

1 運行歷史及失效情況

根據核電廠運維記錄顯示[1]，主泵大修期間（設為T時間）安裝該機械密封，此時動環機械密封彈簧的壓縮量使用接近上限值。隨后主泵啟動時發現該泵密封水回流溫度異常升高，最高達到97 ℃。經過在線調整動環機械密封的彈簧壓縮量后，主泵經過短暫波動后進入正常穩定的運行狀態。

此后經過約2.5 a 穩定運行后（即T+2.5 a），該主泵密封回流水溫度突然出現大幅波動，之后第三級密封壓差迅速降低，同時第一、第二密封壓差相應上升，確認該泵第三級密封失效。停堆后，工作人員對該主泵的密封圈進行目視檢查，發現第一、二級密封機械副以及各級O 型圈狀態均為正常，第三級密封靜環與動環表面嚴重損壞，但整體結構還保持基本完整，現場情況如圖1 所示。

圖1 失效密封環現場照片Fig.1 Failed mechanical seal

2 檢測與結果分析

2.1 宏觀形貌觀察

失效密封動環和靜環整體宏觀形貌如圖2 所示。失效動環表面光亮，共有3 處整體貫穿裂紋，摩擦副凸臺上呈現360°表面龜裂。失效靜環整體完整，沒有整體貫穿裂紋，摩擦副凸臺上呈現一道道“溝壑式”環向同心圓紋理。

圖2 失效動環和靜環的低倍整體形貌Fig.2 Overall appearance of failed moving ring and static ring

失效動環3 個貫穿斷口特征類似，隨機選擇1 個裂紋進行放大觀察。沿環向看有明顯的磨削痕跡，原有的深度約300 μm 的半圓形流體動壓槽（虛線部分指示）已全部磨損至消失。沿徑向看存在大量發散且密集的細微裂紋，裂紋交錯位置有部分小碎塊脫落的痕跡，同時位于外圈的熱裂紋比內圈更加密集（圖3a）。

對失效靜環摩擦副凸臺表面進行放大觀察。沿環向看有明顯磨料磨損的痕跡，形成一道道較深的環向刻痕和溝槽（圖3b）。沿徑向看凸臺表面原有的半圓形流體動壓槽高度被磨去大半，形狀已不完整，內外已貫穿。

2.2 SEM 斷口分析

對失效動環斷口進行微觀觀察，結果見圖4，可見斷口平齊，斷面無夾雜，無明顯缺陷，WC 顆粒大小均勻，呈現典型的脆性斷裂形貌。斷口上端腐蝕較為嚴重，因此裂紋應是從摩擦副凸臺上表面起源。裂紋源、裂紋擴展區和基體組織一致，說明失效動環不存在明顯加工問題。

圖4 失效動環斷口SEM 圖像Fig.4 SEM morphology of failed moving ring

另外，對失效動環摩擦副凸臺上表面裂紋微觀形貌進行觀察，發現徑向裂紋交叉的位置有三角形形狀的小碎塊處于即將脫落的狀態，其尺寸約為50 μm×25 μm（圖5）。通過與宏觀圖片對比，推測這類小碎塊即是失效動靜環之間發生“磨料磨損”中磨料的來源。

2.3 金相組織觀察

選取失效動環樣品非貫穿裂紋處進行線切割，制備截面金相樣品。電解拋光參數為：電壓為21 V，電流為5.7～6.0 A，溫度為19～22 ℃，拋光時間120 s。選用10%K3Fe(CN)6+10%KOH（質量分數）混合液蝕刻約4 min。金相組織如圖6 所示，可見失效動環的燒結晶粒十分細小，晶粒等效直徑約為2～6 μm，裂紋擴展方式為沿晶開裂。

圖6 失效動環的金相組織形貌Fig.6 Metallographic photograph of failed moving ring

2.4 化學成分分析

失效動環的化學成分分析結果如表1 所示，其主要成分為W、C、Ni。該成分類似于國內的WC 硬質合金的標準成分，只是其中的Co 被Ni 替代。這是由于考慮到核電廠使用的特殊性，降低Co 元素的含量從而降低材料整體被活化的劑量。

表1 化學成分分析結果（質量分數/%）Table 1 Chemical composition of failed moving ring (mass fraction/%)

失效靜環成分通過EDS 分析，其主要成分為C（質量分數約97%），其余為O。該成分為石墨環的正常成分。

2.5 顯微硬度測量

對失效動環樣品的摩擦副凸臺上表面裂紋附近和基體位置分別進行維氏顯微硬度測量。經測驗，裂紋附近的顯微硬度值和基體基本一致。

2.6 尺寸測量

采用外徑千分尺對失效動、靜環樣品分別沿厚度方向進行尺寸測量，并與正常服役完成后的動、靜環厚度進行對比。結果表明，失效動環比正常動環的厚度平均值減少0.02 mm，而失效靜環比正常靜環的平均厚度值減少0.35 mm。由此可知，當密封副發生“磨料磨損”時，主要是靜環的快速磨損導致摩擦副間隙的增大。

3 分析與討論

以上檢測結果表明，失效動靜環的化學成分、加工性能、顯微硬度等均不存在明顯問題。

機械密封面的失效模式通常有：密封面開啟失效，密封副早期磨損，密封干運轉，密封面熱裂，密封環皰痕，液膜失穩、破裂、汽化等[10]。本案例的失效動環為典型密封面熱裂[11]；失效靜環為典型過熱癥狀[12]，同時存在干摩擦和磨料磨損。

失效動環密封面熱裂紋的形成：T時大修期間，由于人員操作不當，動環密封彈簧壓縮過緊，致使動靜環之間發生干摩擦。摩擦產生的熱量迅速釋放，密封環表面溫度驟然上升，產生很大的熱應力。動環材質為WC，抗熱裂性能差，當熱應力超過材料的強度極限時，動環表面發生脆性沿晶開裂，產生沿徑向發散的密集熱裂紋。靜環材質為石墨，抗熱裂性能好且具有自潤滑，雖發生干摩擦但未產生裂紋。此時動靜環雖產生不同程度損傷，但整體性還保持完整，故而在調整密封彈簧壓縮量后，主泵密封還能繼續保持。

失效靜環磨料磨損的形成及主泵密封最終失效過程：主泵穩定運行的約2.5 a 內，主軸帶動動環一直高速旋轉，同時存在著軸向和徑向的微振動，動環表面的密集熱裂紋在交變載荷作用下不斷擴展至相互交叉，位于交叉位置的WC 與基體逐步喪失連接，直至脫落。脫落碎塊在垂直分力作用下，刺入摩擦面，而在切向分力作用下作相對運動，從而對摩擦表面進行微切削和犁皺。軟密封環（石墨靜環）的摩擦副凸臺表面被快速地磨削直至間隙超過允許的閾值，此時主泵軸密封能力徹底喪失。

4 結論

1）失效動環裂紋屬于典型熱裂紋；失效靜環為典型過熱癥狀，同時存在干摩擦和磨料磨損。

2）因人員操作不當，彈簧壓縮量調整過緊致使摩擦副表面發生干摩擦是導致動環產生熱裂紋的根本原因。

3）動環表面熱裂紋在交變載荷下擴展交叉，交叉處碎塊脫落引起靜環磨料磨損，是導致摩擦副密封失效的直接原因。