陈侃，郭逸，刘伟，张君凯，任何冰

(1. 中密控股股份有限公司，四川 成都 610045；2. 中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314000)

核电站反应堆冷却剂主泵(reactor coolant pump，RCP)轴封主要分为流体静压型轴封和流体动压型轴封两大类[1-2].承担主要负载的摩擦副均属于液体润滑非接触式机械密封[3].两类轴封均由3级密封串联布置组成.其中静压轴封的一级密封通过在端面设置微锥度，在流体压力作用下维持数十μm间隙以承担主要载荷并控制介质泄漏[4-5]；二级和三级密封为普通接触式机械密封.动压轴封的3级结构相同，每级在静环端面上加工了连续微波形槽.在运转时，由流体剪切产生的流体动压效应维持数μm间隙并控制泄漏.静压轴封的一、二、三级密封分别承担15.50，0.21，0.10 MPa压差.动压轴封通过密封壳体级间节流盘管分压，使得15.9 MPa的总压均分至每一级密封，每一级均承担5.3 MPa压差载荷.

国内某1 080 MW核电机组RCP轴封采用的是流体动压轴封.在运转周期末观察到三级低压泄漏增加，三级密封腔压力从5.3 MPa降至4.5 MPa.103大修对3个位号主泵轴封解体后均观察到三级密封静环导套及三级轴套外表面有发黄发蓝现象，静环组件O形圈均有蛇形弯曲的痕迹.因此初步分析该机械密封的性能劣化是由于浮动O形圈摩擦力增加导致[6-7].鉴于一、二级密封轴套无发黄发蓝现象，初步判断导致浮动三级浮动O形圈摩擦力增加的原因：由于三级泄漏侧压力为大气压，流体剪切作用导致空穴产生，形成富氧区域，而泵腔中高温工作介质的热量通过轴传导至轴封段，在第三级处，轴套金属内部温度超过100 ℃，导致该区域形成了两相流、富氧、高温、流体剪切的复杂严苛工作环境.O形圈及其配合面长期处于微动磨损状态，装配时涂抹在O形圈上的硅脂混合PTFE挡圈磨损掉落后的石墨和聚四氟乙烯颗粒混合黏着于O形圈摩擦界面.加之恶劣工作环境造成O形圈摩擦界面局部缺乏良好的液体润滑，最终导致浮动O形圈摩擦力变大，三级导环及轴套表面被氧化[8-9].

有研究者[10]提出对RCP动力电缆信号进行监测，以反映主泵工作状态.但该方法不能反映RCP轴封细部的工作情况.为了复现及研究RCP轴封工作异常现象发生的原因，文中开展主泵温度场分析和基于内窥镜图像处理的泄流流态识别研究工作，提出以Sobel边沿算法特征值作评价参数以获得密封背压与泄漏流状态间关系，并开展试验研究.

1 RCP轴封结构及现场问题

流体动压型主泵轴封的结构如图1所示，每一单级密封结构如图2所示.动环为石墨环，由内外金属环镶装而成.静环为硬质合金环外侧镶装金属环并在硬质合金环端面加工了连续正弦波形槽.副密封用于密封静环座、动环座与轴套之间间隙.其中静环组件的副密封属动态密封，工作时处于浮动状态[11]，有一定的轴向和径向位移追随功能.

图1 RCP流体动压轴封示意图

图2 动压轴封单级结构图

1.1 轴套发黄发蓝现象回顾

核电站现场第103次大修后，对3个位号主泵轴封解体，观察到的部件状态见图3a；相同轴封工程样机全厂停水停电(station black out, SBO)工况试验后部件状态见图3b.可以发现，SBO工况纯高温水静止工况下不锈钢金属表面呈现出古铜色较亮的氧化层，而某核电站轴封部件工作周期后呈现为麦芽黄亚光氧化层，这说明氧化层形成机理不同.

图3 高温发黄发蓝与现场发黄发蓝对比Fig.3 Comparison of yellowing and bluing between high temperature and field work conditions

相同轴封工程样机SBO工况试验后解体状态参数、两种工况对比见表1，表中物理量为注入水压力pw、注入水温度θw、转速n、运转时间t.

表1 SBO工况与现场工况对比

将轴封三级轴套按1∶1比例与零部件工程图绘制在一起，如图4所示，其中红色部分为低压泄漏流体区域截面.

图4 轴套发黄位置在图纸中位置

并可观察到，在三级低压泄漏侧，间隙越小的区段，发黄越明显.在相对静止的小间隙区域没有观察到明显的发黄现象.引发该现象的原因应从多个角度考虑，例如流体剪切作用、泄漏介质相态改变、轴套金属温度过高、介质富氧等，而首先应对主泵轴系温度分布进行分析.

1.2 温度场分析

表2为某核电站RCP现场测点数据.以表中所示2号主泵测点信息为边界条件，采用FEM建模分析轴系下段温度场分布.关注主泵轴系从热屏上端至联轴器下端.

表2 某核电站RCP现场测点数据

在已知轴封高压泄漏水流量、轴封注入水和高压泄漏水温差，并以黏滞剪切模型近似计算轴封摩擦副发热功率后，整个轴封系统在工作期间的发热功率加上轴系传热至密封段的热输入功率可根据文献[11]之方法计算，总计12.9 kW[12].这使得QH=770 L/h的高压轴封注入水产生了ΔT=14.4 ℃的温升.边界条件设置如图5所示，图中A，E两处温度分别为80 ℃，300 ℃；B,C,D,F,G处为热流功率边界条件，符号“+”表示热流流入，“-”表示热流流出.轴系下段温度分布如图6所示.

图5 轴系温度分布计算边界条件Fig.5 Boundary conditions for temperature distribution of shaft system

图6表明，整个轴封系统在第三级密封处温度大约为123 ℃，轴金属壁面的最高温度约为129 ℃.该处低压泄漏介质为常压，存在气化可能.三级密封泄漏处的介质状态可能处于气液两相流状态.此外，受流体剪切作用，也会加强空穴和蒸汽的产生.为了证明该结论，需开展基于图像相态监测技术的试验.

图6 轴系下段温度分布云图Fig.6 Temperature distribution of pump shaft downstream section

2 三级低压泄漏流相态监测试验

2.1 试验装置

搭建1∶1比例的RCP动压轴封工程样机试验台，结构如图7—8所示.

图7 工程样机试验装置及窥镜

图8 三级密封及窥镜安装

在三级密封导环和静环座增加小孔用于埋设1个内窥镜，窥镜头穿过工装腔体、三级静环导套、三级静环座，到达三级密封端面内径侧.在端盖设置2个内窥镜，位于不同半径处，用于辅助观察泄漏流体飞溅情况.所使用的器材：Bosch工业内窥镜×1，直径2.5 mm；ADM-5工业内窥镜×2，直径5.3 mm.采用Sino Seal提供的自主研发的动压轴封第3级.

2.2 试验方法

采用软管连接密封低压泄漏口至高位，并自由排放到收集箱.软管出口最高点位置可调并记录每次调整相对地面的绝对高度H(即低压泄漏水位高度；低压泄漏口相对地面的初始高度为1.30 m).对比不同低压泄漏出口高度相应的窥镜观测记录情况.试验工况及参数见表3.

表3 试验条件及要求

2.3 基于Sobel算子边沿检测的相态监测技术

为了衡量高度H与流态紊乱的程度，提出采用基于Sobel算子的边沿检测(edge detect)技术，以量化动压轴封低压泄漏高度与内部流态紊乱程度之间的关系[13].

对于一个图像清晰度的量化，最常用的方法主要有空域函数、频域函数、信息学函数和统计学函数4个大类[14].其中最常用、计算速度较快并适合于在线图像状态判断的算法主要属于空域函数类[15].空域函数中，Sobel算子属于非线性高通空间滤波，可以侦测边沿，也可以移除独立噪点[16].

Sobel算子[17]定义为

(1)

(2)

试验中所获取的窥镜图像为320 px×240 px(像素)，假设该图像像素值为函数f(x,y),每个像素点沿x方向一阶导数为Gx(x,y)，沿y方向一阶导数为Gy(x,y).则

Gx(x,y)=Tx⊗f(x,y)，

(3)

Gy(x,y)=Ty⊗f(x,y).

(4)

于是可以获得图像上每个像素水平和垂直方向上的灰度值为

(5)

程序用C#语言调用OpenCV函数实现.OpenCV是开源许可的机器视觉和图像处理函数库.通过2个不同比较阈值处理的Sobel边沿检测结果矩阵，求取边沿检测算法特征值δs1s2作为最终的泄漏流态图像清晰度判别值.

2.4 试验结果

通过所开发的Prometheus关键动设备健康状态在线监测系统记录窥镜视频并定时截图，获得如图9左侧所示结果(右侧均为Sobel边沿检测图像；H为密封背压，水柱高度)，图中Δh为低压泄漏最高水位与低压泄漏初始高度差值，δs1s2为边沿检测算法特征值.

图9 背压与内部流态图像Fig.9 Back pressure and endoscope image of internal flow pattern

以H=1.30 m为基准对比δs1s2发现：H=0.77 m，清晰度低63.2%；H=1.55 m，清晰度高27.0%；H=1.80 m，清晰度高92.3%.

通过观察图9中图像已经可以较为明显地判断动压轴封三级低压泄漏侧狭小环形流道中流体的形态.可以发现高度H越大，图像清晰度越高.这是由于背部压力提高，使得泄漏侧流场不易因为轴套的旋转剪切而产生空穴.

根据图9可以绘制低压泄漏高度与清晰度的关系曲线，如图10所示.

图10 三级轴封低压泄漏高度最大优化值Fig.10 Maximum optimization value of low-pressure leakage height of three stage shaft seal

通过窥镜Sobel边沿图像观察到抬高三级低压泄漏水位可以一定程度消除低压泄漏侧环形间隙内部流体空穴，1.80 m高度时效果最好，1.55 m高度具有良好效果.由于受到动压轴封停车密封介质疏排功能限制，U形管的最高水位不能超过停车密封限位开关杆的椭圆孔高度.因此，U形管最高设计水位为1.55 m，即比原低压泄漏水位高25 cm，如图10所示.此时相态图片清晰度提高27.0%；泄漏介质不会从停车密封的孔洞和顶端的环形间隙逸出.

3 结 论

1) 以某1 080 MW机组RCP轴封在线监测数据作为边界条件，建立了FEA传热模型，仿真计算了泵轴系在正常工作状态下近似温度分布.在第三级轴封段附近，轴金属壁面的最高温度约为129 ℃.

2) 通过窥镜图像处理方法，监测轴封三级泄漏流场流态.并开发了基于Sobel图像边沿侦测算法的Prometheus重要旋转设备健康状态在线监测系统.通过沿侦测并考虑停车密封疏排功能限制，最终密封背压的建议值为1.50 m.

3) 在三级低压泄漏管线上增设U形连通器可以提高低压泄漏流背压，从而改善三号密封浮动O形圈与导环界面的润滑性，降低三号密封卡滞风险，提升密封整体可靠性，从而最终达到提升密封性能的目的.