機(jī)械密封可靠性大幅提升
比利時(shí)Doel的Electrabel核電廠（隸屬GDF SUZ集團(tuán)）由建于20世紀(jì)70年代和80年代的兩座400 MW和兩座1000 MW的壓水反應(yīng)堆（PWR）組成。最后建造的兩座反應(yīng)堆，即Doel 3和Doel 4，設(shè)計(jì)有3臺(tái)50%蒸汽發(fā)生器給水泵，泵的軸封主要采用機(jī)械密封形式。其中2臺(tái)由渦輪驅(qū)動(dòng)的泵進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而第三臺(tái)電動(dòng)泵主要作為發(fā)電廠的啟動(dòng)泵和冗余泵。
與軟填料密封、使用冷凝注射的固定節(jié)流套管系統(tǒng)以及受控浮環(huán)密封系統(tǒng)等其它替代方案相比，用于高速鍋爐給水泵上的機(jī)械密封件自從20世紀(jì)60年代后期引入以來，已被證明是一種可靠且經(jīng)濟(jì)的密封方式。許多基荷發(fā)電廠通過機(jī)械密封件成功實(shí)現(xiàn)了5萬小時(shí)以上的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。
但是，最初安裝于Doel 3和4號(hào)機(jī)組給水泵上的機(jī)械密封件僅達(dá)到了9000-16000小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，往往因?yàn)檫^度泄漏而需要大修。由于安裝了備用泵，該維修并未導(dǎo)致發(fā)電量的下降或意外停機(jī)，但計(jì)劃外的頻繁修理增加了Electrable維修部門的維修成本和總體工作量。
Doel 3機(jī)組的蒸汽發(fā)生器給水泵
尋求解決方案
2004年夏，Electrabel的工程和維修部門向福斯尋求解決方案。系統(tǒng)工程師們通常將泄漏作為判斷機(jī)械密封件功能是否正常的首要標(biāo)準(zhǔn)。在某些應(yīng)用場合中，泄漏會(huì)導(dǎo)致極為嚴(yán)重的后果，但情況也并非總是如此。蒸汽發(fā)生器的給水一般不具危險(xiǎn)性，并且受控于泄漏處理系統(tǒng)，因而可確保進(jìn)入發(fā)電廠的供水可由補(bǔ)給系統(tǒng)進(jìn)行處理和重復(fù)利用。
在Electrabel Doel核電站的案例中，在安裝了全新的密封件和翻修的零件之后，原裝密封件在運(yùn)行的第一年中幾乎沒有可見的泄漏。但在停機(jī)及給水泵重新啟動(dòng)之后，密封泄漏開始增加，直至管理密封循環(huán)液的溫度報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出溫控警報(bào)，泵才停止運(yùn)行以待維修。
該設(shè)施大部分密封件發(fā)生故障的根本原因在于其固定的密封部件缺乏軸向運(yùn)動(dòng)，這是由于銷子的錘打使防旋轉(zhuǎn)槽產(chǎn)生毛刺而導(dǎo)致的。由于兩個(gè)金屬零件所用的材料及硬度相同，所以毛刺隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)而逐漸增多。但用銼刀去除毛刺后，再將密封件安裝回泵內(nèi)即可恢復(fù)其密封功能（圖1）。
圖1. 典型密封面變形
收到發(fā)電廠提供的泵在發(fā)電廠運(yùn)行的所有參數(shù)和詳情后，福斯準(zhǔn)備了一份詳細(xì)的密封建議，包括最低數(shù)量的受控泄漏。由于Doel 3和4號(hào)機(jī)組的給水泵尺寸較大，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度為4000-4820轉(zhuǎn)/分鐘（rpm），換算圓周速度為55米/秒。對(duì)于這種類型的泵而言，對(duì)機(jī)械密封的要求是非常高的。采用略高的密封件泄漏速度，能夠確保密封面在密封接口內(nèi)部形成穩(wěn)定的液體薄膜，從而降低摩擦和發(fā)熱。改善潤滑有助于降低表面磨損，同時(shí)也減少了內(nèi)部密封部件的微小振動(dòng)。
Electrabel發(fā)電廠認(rèn)可并接受了福斯建議的DHTW機(jī)械密封件，在理想的實(shí)驗(yàn)室測試條件下，該密封件的泄漏速度為300立方厘米/小時(shí)（cc/hour）。再將該值乘以一個(gè)3至5的系數(shù)，用以計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行中泵的實(shí)際泄漏。通常增加泵泄漏的原因還與外部影響因素相關(guān)，包括振動(dòng)、瞬態(tài)和操作變化，但在密封件的設(shè)計(jì)階段或在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)往往不會(huì)考慮到這些因素。
福斯首先為Electrabel初步設(shè)計(jì)出了新密封解決方案的第一版草案。為了使Electrabel在這些重要的泵上所使用的機(jī)械密封件有良好的新舊互換性，因而并沒有計(jì)劃對(duì)泵的硬件進(jìn)行改變，從而確保了完全的互換性。初步設(shè)計(jì)完成后，即采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬軟件來預(yù)測密封端面的機(jī)械性能和熱變形以及預(yù)期的密封泄漏值。運(yùn)用多年來設(shè)計(jì)高端機(jī)械密封件的經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合多年來對(duì)各種應(yīng)用場合的實(shí)驗(yàn)室測試經(jīng)驗(yàn)，福斯開發(fā)出了精確可靠的無限元分析模型。此模型的精確性與實(shí)用性使工程師們能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出適用于苛刻工況條件下的機(jī)械密封件。
消除密封的變形問題
機(jī)械密封件端面在某些因素的影響下會(huì)發(fā)生各種形式的變形。兩大主要影響因素是液壓（結(jié)構(gòu)變形）和溫度（熱變形）所導(dǎo)致的變形。液壓壓力通常會(huì)導(dǎo)致凹面變形，從而封鎖密封間隙內(nèi)的液體薄膜，改變密封件端面間的靜態(tài)壓力分布。這會(huì)平衡密封間隙內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱，而溫度分布的變化則會(huì)導(dǎo)致凸面的熱變形。
圖2. Stribeck曲線
旋轉(zhuǎn)和固定密封端面之間密封間隙形狀的變化會(huì)導(dǎo)致液體薄膜形狀的變化。當(dāng)密封面之間的密封間隙形狀發(fā)生變化時(shí)，密封面之間的液體薄膜寬度也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而改變密封的泄漏速度。
福斯能夠針對(duì)具體的運(yùn)行條件微調(diào)密封件，從而確保在Stribeck曲線內(nèi)混合潤滑與流體彈性動(dòng)力潤滑方式之間的邊界線上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的密封運(yùn)行。圖2中的曲線說明了密封面與密封液體之間的摩擦系數(shù)和密封面間距之間的關(guān)系。在曲線的此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行能夠確保低摩擦系數(shù)和低密封泄漏。
嚴(yán)格測試帶來的改進(jìn)
在生產(chǎn)新的機(jī)械密封件之前，新的解決方案在荷蘭Roosendaal的福斯密封實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過了廣泛的測試，采用來自于發(fā)電廠的真實(shí)給水泵來模擬盡可能逼真的現(xiàn)場條件。福斯和Electrabel Doel核電站的工程團(tuán)隊(duì)一起制定了一項(xiàng)測試計(jì)劃，以驗(yàn)證新密封解決方案在所有要求條件下的工作狀況。初期測試標(biāo)準(zhǔn)為：
◆ 運(yùn)行一段時(shí)間后的平均泄漏速度為300立方厘米/小時(shí)（cc/hour）；
◆ 無密封面碎裂或接觸表面變形的跡象；
◆ 固定的石墨密封面的最大磨損速度為25微米/小時(shí)（祄/hour）
Electrabel工程師的主要目標(biāo)是尋求能夠提供六年不間斷運(yùn)行的密封解決方案。最初的密封件僅達(dá)到了一年半的使用壽命。Electrabel和福斯達(dá)成協(xié)議，即DHTW密封件的最短使用壽命要達(dá)到25000小時(shí)（連續(xù)運(yùn)行時(shí)間），略少于三年。
圖3.福斯為Electrabel Doel 3和4號(hào)機(jī)組提供DHTW-8750機(jī)械密封件
密封件經(jīng)過1000小時(shí)的測試評(píng)估，以300 rpm、800 rpm、2000 rpm和4400 rpm的速度及40 bar的密封壓力為條件進(jìn)行測試，并引入熱量來模擬從熱泵至密封件的水流。由于速度是密封面熱變形的主要成因，工程師們有時(shí)需要在設(shè)計(jì)上做出妥協(xié)。
在300 rpm的低轉(zhuǎn)速下對(duì)密封件進(jìn)行的測試表明，石墨表面的磨損量有所增加。福斯在與Electrabel Doel共同研究測試結(jié)果后，認(rèn)為需要通過增加密封的泄漏來減緩低轉(zhuǎn)速下的磨損。雙方達(dá)成一致：在實(shí)驗(yàn)室條件下，泄漏速度為500立方厘米/小時(shí)（cc/hour）。
完成實(shí)驗(yàn)室測試后，詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)顯示，采用新的泄漏速度后，表面部件的磨損率極低。采用本設(shè)計(jì)，密封件預(yù)期有八年的理論壽命，比Electrabel Doel最初要求的壽命還多兩年。
福斯的售后理念在于為整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，而非僅為單個(gè)部件提供服務(wù)，因此還制定了詳細(xì)的密封件冷卻系統(tǒng)修改建議，即Plan 23。由于最初的密封件在相對(duì)較高的密封循環(huán)溫度下運(yùn)行，因此需要安裝全新的高效密封件冷卻器，并更換直徑更大的互聯(lián)密封管道來降低流阻。
最初的密封冷卻系統(tǒng)（左）和新的優(yōu)化的密封冷卻系統(tǒng)
為確保新的密封管道能夠正確的安裝，密封件工程師們?yōu)楣艿拦⿷?yīng)商最終的管道安裝流程及儀表的設(shè)計(jì)和單線圖繪制提供了協(xié)助。
連續(xù)運(yùn)行中
在Doel 3機(jī)組停機(jī)期間，兩個(gè)DHTW-8750機(jī)械密封件首次于2005年6月安裝到了渦輪驅(qū)動(dòng)給水泵PP-FW-0064內(nèi)。為確保密封件安裝到位，福斯還專門安排了經(jīng)驗(yàn)豐富的現(xiàn)場工程師對(duì)其進(jìn)行了全面的檢查。
2005年6月14日，當(dāng)反應(yīng)堆聯(lián)機(jī)后，渦輪驅(qū)動(dòng)泵獲得足夠的蒸汽重新投入了運(yùn)行。Electrabel工程師立即注意到密封件循環(huán)溫度較此前低得多，顯示機(jī)械密封件的冷卻充分。除了將密封件循環(huán)溫度降低10-15℃之外，密封入口和出口之間的溫差也從10℃降至3-5℃。由于Electrabel Doel在密封管道上安裝了臨時(shí)的溫度記錄器，可進(jìn)行精確的測量和記錄，而該溫度記錄器此后也將會(huì)成為密封件監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。如今，這兩個(gè)首批投入使用的DHTW-8750密封仍在正常運(yùn)行，并且自安裝之日起始終穩(wěn)定如初。
雖然該機(jī)械密封件尚未達(dá)到Electrabel Doel所要求的六年運(yùn)行目標(biāo)，但已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一致同意的25000小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。Electrabel Doel計(jì)劃在使用期滿六年之后再將安裝的福斯密封件翻新。
