CN102239352B - 用于可旋转轴的热致动停机密封件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转轴(34)的热致动停机密封件(170)，具有包围轴的狭窄环状流体流动路径(174)。在正常操作期间，密封件(170)包围轴(34)，并且在其间具有环状空间(174)，而当轴(34)减慢或停止旋转时密封件抵靠轴(34)收缩。在正常操作期间，环状空间(174)由被插入开口环(172)的相对端部之间的间隔件(176)保持开放。当轴(34)停止旋转时，环状空间(174)的温度上升，这致动从开口环(172)移除间隔件(176)，从而抵靠轴(34)收缩开口环(172)，阻塞环状空间(174)。阻塞的环状空间(174)引起跨过密封件(170)的压差，该压差推动开口环(172)下游的聚合物密封环(178)抵靠轴(34)，其密封环状空间(174)。在一个实施例中，间隔件U/76)由易熔的材料形成。在第二实施例中，间隔件(176)通过热响应致动器(184)从开口环(172)移除。

Description

用于可旋转轴的热致动停机密封件

相关申请交叉引用

本申请要求2009年12月10日提交的美国临时申请序号61/121,207的优先权。

技术领域

本发明总体涉及旋转轴密封件，更特别而言涉及用于离心液泵的热致动停机密封件。

背景技术

在加压水核电站中，利用反应堆冷却剂系统来从反应堆堆芯向蒸气发生器输送热以便产生蒸气。然后利用蒸气来驱动涡轮发电机以便产生可用功。反应堆冷却剂系统包括多个分离的冷却环路，每个冷却环路连接至反应堆堆芯并且包括蒸气发生器和反应堆冷却剂泵。

反应堆冷却剂泵典型地为竖直单级离心泵，其设计成用于移动大体积的处于高温度和压力下的反应堆冷却剂，例如处于550°F(288℃)和2,250psia(155巴)下。泵自下至上基本上包括三个常规部分：液压部分、轴密封件部分和马达部分。下部液压部分包括安装于泵轴下端上的叶轮，其可在泵壳内工作以便围绕相应环路泵送反应堆冷却剂。上部马达部分包括马达，其联接用于驱动泵轴。中间轴密封件部分包括三个串联的密封件组件：下部主密封件组件(1号密封件)、中间第二密封件组件和上部第三密封件组件。密封件组件定位成与泵轴同心，靠近泵轴的顶端，它们的组合用途为保证在正常工作条件期间沿着泵轴向包容大气环境发生最小限度的反应堆冷却剂渗漏。现有技术已知的泵轴密封件组件的代表性实例在以下美国专利中进行了描述：3,522,948、3,529,838、3,632,117、3,720,222和4,275,891。

机械地密封位于固定泵压力边界与旋转轴之间的界面的泵轴密封件组件必须能够容纳高系统压力(大约2,250psi(155巴))而不发生过多渗漏。利用串列布置的三个密封件组件来分阶段地分解压力。这三个机械泵密封件组件为控制渗漏密封件，它们在操作时容许在每个阶段发生最少量的控制渗漏，同时防止反应堆冷却剂从主冷却剂系统向相应密封件渗漏孔发生过多渗漏。

泵密封件组件通常保持在适当地处于主冷却剂系统温度以下的温度，这或者通过在密封件组件处喷射冷溶液或者通过使用在主流体到达密封件组件之前冷却主流体的热交换器来实现。这些系统的理论化失效可能将密封件组件暴露于高温，这将很可能引起密封件组件的控制渗漏显著地增加。当损失全部燃料冷却的原因是由于损失全部交流动力时，在没有驱动补偿泵的电力的情况下，密封件渗漏无法返回至冷却系统。假想地，在没有补偿手段的情况下的控制渗漏可能导致反应堆冷却剂暴露反应堆堆芯和随后的堆芯损伤。

因此，需要用于在万一同时发生损失全部燃料冷却和损失补偿泵的情况下为标准密封件组件提供后备的有效方式。此外，优选地，这样的后备密封件应当可在损失动力或者发生损失补偿泵送能力的其它原因时工作，以便基本上密封轴以防渗漏。

发明内容

根据本发明，上述目的通过用于减速或停止旋转设备的轴的热致动停机密封件实现，所述减速或停止旋转设备比如为泵、压缩机等等，所述热致动停机密封件设计成用于限制通过轴密封件的冷却剂正常渗漏。本发明的停机密封件可用于密封在其轴和壳体之间具有狭窄流动环状空间的任何设备。这种停机密封件设计成用于密封离心泵，比如加压水核反应堆的反应堆冷却剂泵。图2示出了威斯汀豪斯电气公司(Westinghouse Electric Company LLC)使用的这种类型的反应堆冷却剂泵(Reactor Coolant Pump，RCP)，用于在加压水核反应堆的主回路中在高压力下循环高温水。

这种停机密封件的特征在于“开口环”，该开口环设计成：(i)在正常操作期间包围轴，在其间具有环状空间：和(ii)当轴减慢至预定速度以下或停止旋转时抵靠轴收缩。开口环具有相面对端部，在正常联机操作期间，当轴旋转时，相面对端部通过间隔件保持间隔关系。当轴减慢或停止旋转和壳体中的温度上升时，从开口环的相面对端部移除间隔件并且开口环随着开口环相面对端部彼此接近而抵靠轴收缩，这样阻塞冷却剂通过流动环状空间的渗漏的相当大部分。在一个实施例中，间隔件由易熔的材料形成。在第二实施例中，通过被动地致动的装置从开口环拉开间隔件。

优选地，停机密封件还具有柔顺的聚合物密封环，当开口环阻塞冷却剂通过环状空间的渗漏时，所述聚合物密封环被壳体中的压力增加推靠在轴上。在另一个实施例中，通过使环圆周的与开口相隔大致180°的径向部分加厚，而改进当环被限制于开放位置时环的环状空间的圆形。

附图说明

通过结合附图阅读以下具体实施方式部分可获得对本发明的进一步理解，附图中：

图1为一种常规型核反应堆冷却系统的一个冷却环路的示意图，该核反应堆冷却系统包括与反应堆处于闭环系统中的串联连接的蒸气发生器和反应堆冷却剂泵；

图2为一种反应堆冷却剂泵的轴密封件部分的剖开透视图，以剖面图示出了密封件壳体和下部主密封件组件、中间第二密封件组件和上部第三密封件组件，它们设置在密封件壳体内并且包围泵轴；

图3为图2的反应堆冷却剂泵的密封件壳体和密封件组件的一部分的放大剖视图；

图4为一种轴密封件结构的剖视图，示出了图2和3中所示的下部初级封密的放大图，本发明可应用于其；

图5为图4中所示的主密封件的嵌件的放大部分，其中本发明的泵轴和停机密封件的一部分带有阴影线，其中停机密封件使用开口环间隔件，其设计成在正常操作温度以上分解；

图6为在模拟加压水核反应堆的环境中，在本发明的停机密封件的停机测试期间取得的数据的图解表示；

图7为与图5的视图类似的视图，其使用本发明的停机密封件的第二实施例，该停机密封件使用热致动机械活塞来从开口环移除间隔件；

图8为图7示意性地示出的活塞结构的放大图，其中活塞处于充分延伸位置，间隔件插入在本发明的开口环的开放端部之间；

图9为示出在将间隔件从开口环的开放端部之间移除的致动事件之前图8的活塞结构的剖视图；

图10为在模拟加压水核反应堆的环境中，在使用本发明的停机密封件的停机测试期间取得的数据的图解表示，其示出了在到达致动温度之后少于大约45秒内，停机密封件有效地阻塞冷却剂流；以及

图11为用于本发明的停机密封件的改进型开口环的平面图。

具体实施方式

在以下说明中，同样的附图标记在各视图中标示同样的或者相应的部件。另外，在以下说明中，应当理解，如“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等等术语为方便描述的措词，并不应看作是限制性术语。

现有技术的反应堆冷却剂泵

参看图1，示出了常规型核反应堆冷却系统的多个冷却剂回路10之一的示意图。冷却剂回路10包括与核反应堆16处于闭环冷却系统的串联连接的蒸气发生器12和反应堆冷却剂泵14。蒸气发生器12包括与蒸气发生器12的入口和出口增压室(plenum)20、22连通的主换热管18。蒸气发生器12的入口增压室20与反应堆堆芯16的出口流动连通地连接，以便沿着流动路径44从其接收热的冷却剂，该流动路径44通常称为闭环系统的热段(hotleg)。蒸气发生器12的出口增压室22沿着闭环系统的流动路径26与反应堆冷却剂泵14的入口抽吸侧流动连通地连接。反应堆冷却剂泵14的出口压力侧与反应堆堆芯16的入口流动连通地连接，以便沿着闭环系统的冷段的流动路径28向其给送较冷的冷却剂。

反应堆冷却剂泵14围绕闭环系统在高压下泵送冷却剂。特别地，从反应堆16放出的热的冷却剂被引导至蒸气发生器12的入口增压室20以及与其连通的换热管18。同时，在换热管18中，热的冷却剂经由传统方法(未示出)与供向蒸气发生器12的冷却给水成热交换关系流动。给水被加热且其部分改变为蒸气以用于驱动涡轮发电机(未示出)。已经通过热交换降低温度的冷却剂然后被经由冷却剂泵14再循环至反应堆16。

反应堆冷却剂泵14必须能够围绕闭环系统移动大体积的处于高温度和压力的反应堆冷却剂。但是，在热交换之后通过泵14从蒸气发生器12流出的冷却剂的温度已经被冷却到显著地低于在热交换之前从反应堆16流向蒸气发生器12的冷却剂的温度(典型地为大约55O°F(288℃))。为了在这些比较高的温度保持冷却剂处于液体状态，通过注射泵(未示出)为系统加压，并且系统在大约2,250psia(155巴)的压力下工作。

如图2和3中所示，现有技术的反应堆冷却剂泵14通常包括泵壳体30，泵壳体30在一端终止于密封件壳体32。泵还包括泵轴34，泵轴34在泵壳体30的中心延伸并且密封且可旋转地安装在密封件壳体32内。尽管未示出，但泵轴34的底部连接至叶轮，而其顶部连接至高马力感应式电动马达。当马达带动轴34旋转时，泵壳体30的内部36内的叶轮引起加压反应堆冷却剂通过反应堆冷却剂系统流动。由于密封件壳体32的外侧部分被环境大气包围，这种加压冷却剂在轴34上施加向上的静液压负载。

为了使泵轴34可在密封件壳体32内自由地旋转同时在泵壳体内部36与密封件壳体32外部之间保持2,250psia(155巴)的压力边界，串联地设置的下部主密封件组件38、中间第二密封件组件40和上部第三密封件组件42在密封件壳体32内围绕泵轴34设置于图2和3中所示的位置。执行大部分压力密封(大约2,200psi(152巴))的下部主密封件组件38为无接触流体静力类型，而中间第二和上部第三密封件组件40、42为接触或摩擦机械类型。

泵14的密封件组件38、40、42每一个通常包括相应的环状转子(runner)44、46、48和相应的环状密封环50、52、54，环状转子安装至泵轴34以便随其旋转，环状密封环固定地安装在密封件壳体32内。相应的转子44、46、48和密封环50、52、54具有相互面向的顶部和底部端面56、58、60和62、64、66。下部主密封件组件38的转子44和密封环50的面向的面56、62通常并不相互接触，而是一流体薄膜通常在它们之间流动。另一方面，中间第二和上部第三密封件组件40和42的转子和密封环46、52和48、54的面向的面58、64和60、66通常相互接触或摩擦。

因为主密封件组件38通常在流体膜模式下工作，必须采取一些措施来处理在密封件壳体32与可旋转地安装于其的轴34之间的环形空间泄漏的冷却流体。因此，密封件壳体32包括主泄漏端口69，而泄漏端口71容纳从第二和第三密封件组件40、42泄漏的冷却剂流体。

图4为图2和3中所示类型的1号或主下部密封件区域中密封件壳体的剖面图，并且提供了对1号密封件的操作以及其将与本发明相接的方式的更好理解。所示的结构包括：具有环状壁33的壳体32，环状壁适于在壳体32内形成压力室35；可旋转地安装在壳体32内的轴34；密封转子组件44；和设置在壳体32内的密封环组件50。如前所述，轴34可由适当的马达(未示出)驱动并且用于驱动离心泵(未示出)的叶轮，该离心泵使冷却剂流体在加压系统中循环。喷射水可在比泵产生的压力更高的压力下供向室35。转子组件44包括环状保持座70和环状密封板72。类似地，密封环组件50包括保持座74和环状面板76。

由于保持座70安装于环状支承件78上，该环状支承件接合轴34上的肩台80并且通过套筒82固定至轴，所以保持座随着轴34旋转，其中该套筒82在轴与支承件78的向上延伸腿84之间装配于轴34上，该支承件78在横截面中基本上为L形。应当理解，尽管本发明被描述为应用于使用在泵轴之上的套筒的泵，但本发明同样地可在并不使用套筒的泵轴上使用。保持座70上的肩台86安放于腿84的上端上，而套筒82上的肩台88将保持座70保持于支承件84上。销90被压入套筒82中的凹槽92中并且接合保持座70中的轴向隙缝94。从螺母(未示出)在套筒82和支承件78上施加轴向夹紧力，其引起套筒82和支承件78随着轴34旋转。销90又引起保持座70随着随轴34旋转的套筒82旋转。O型密封环96和98分别设置在支承件78与轴34和保持座70之间。另外，O型密封环100设置于保持座70与面板72之间的界面102中。

面板72由耐腐蚀侵蚀材料构成，所述材料具有与构成保持座70的材料基本上相同的热膨胀系数，保持座70具有高弹性模量。类似地，面板76由耐腐蚀侵蚀材料构成，所述材料具有与保持座74的材料基本上相同的热膨胀系数，保持座74具有高弹性模量。适当材料的实例为碳化物和陶瓷。另外，O型密封环104设置于保持座74与面板26之间的界面106中。

保持座74可动地安装于在横截面中基本上为L形的环状密封环嵌件110的向下延伸腿108上。嵌件110通过有头螺钉112保持在壳体32中。O型密封环114设置于嵌件110与壳体32之间的界面中。类似地，O型密封环118设置于保持座74与嵌件110的腿108之间的界面120中。通过销122阻止保持座74的旋转运动，该销122被压入嵌件110中。销122延伸至保持座74中的槽124中，在槽124的壁与销122之间具有足够的间隙以允许保持座74的轴向运动但是限制保持座74的旋转运动。

面板76通过夹紧装置128附接至保持座74，夹紧装置128包括保持环130、夹紧环132、锁紧环134、多个有头螺钉136和在锁紧环134与夹紧环132之间安装于有头螺钉136上的贝氏弹簧138。有头螺钉136延伸通过保持环130、夹紧环132、贝氏弹簧138并且被拧入锁紧环134中。保持座74的界面106在140处凹进以便在一外径处在界面上提供环状支点142，该外径小于面板76的界面的外径。保持环130具有带有脊部144的向内延伸凸缘，该脊部144接合面板76的延伸超过支点142的部分146。夹紧环132具有带有脊部148的向内延伸凸缘，该脊部148接合保持座74上的面150。因此，当有头螺钉136被拧紧以便将夹紧环132和保持环130朝向彼此拉动时，产生一个力，该力围绕支点142在面板76上施加悬臂作用。在夹紧作用期间，贝氏弹簧138受到部分地压缩并且通过夹紧力使面板76变形。

面板72按照类似于参考面板76所述方式的方式通过夹紧装置150附接至保持座70。然而，保持座70的界面102上的支点152位置比保持座74上的支点142更靠近面板72的外径。因此，面板72上的夹紧力并不使面板围绕支点152产生与面板76上产生的变形同样多的变形。如果需要的话，支点142和152可相对于它们的相应的面板置于相同的位置处。

如前所述，密封环组件50安装成限制相对于轴34和密封转子组件44的轴向运动。另外，通过防旋转销122限制密封环组件50的旋转运动，该防旋转销122松弛地适配在密封环保持座74中的槽124中。面板76上的密封面在重力作用下被偏压向面板72上的相面对的密封面156。

在通过轴34驱动的泵的操作中，密封环保持座74的表面158和160经受高压力室35中的全压力。希望的是，在高压力室35与邻近套筒82的环状低压力区域162之间提供压力阻隔件。密封环组件50用作压力阻隔装置，但是允许控制量的流体泄漏流量通过密封间隙164从压力室35流向区域162，所述密封间隙164设置在分别位于密封板76和72上的相面对的密封面154与156之间。

在操作期间，根据密封环组件的相对的面上的压力来保持轴向可动的密封环组件50的均衡或平衡位置。间隙164中的流体的厚度以及进而通过间隙164的泄漏流量由间隙164的构造确定。

为了在密封间隙164改变时获得密封环组件50和转子组件44的相对位置的自回复，从高压边缘或末端166到在密封件面对的末端之间的位置设置减小厚度的流体流动路径。更特别而言，在所示的结构中，减小厚度的流体流动路径在外侧边缘166与密封面154上位于168处的中间同心圆之间延伸。

如本结构中所示，减小的流动路径厚度通过在面板76的外侧边缘166与圆168之间略微背离面板72的相面对表面156使表面154渐缩而形成。图中所示的表面154与156之间的角度被放大。这种构造或结构被称为渐缩面密封。这种类型的密封的操作在1967年10月17日授予Erling Frisch的美国专利3,347,552中进行了充分描述。

本发明的停机密封件

根据本发明，如图5和7-9中所示，另外的密封件170作为后备安全或停机装置有利地设置于泵14中，其可在损失密封冷却的情况下致动以便防止在轴34与泵的密封件组件38、40、42之间沿着轴34发生过多的渗漏。如图5中所示，停机密封件170位于1号主密封件38的嵌件110中的环状开口中的机加工凹槽中。停机密封件的特征在于“开口环”172，该开口环设计成：(i)在正常操作期间包围轴34，在其间具有环状空间174：和(ii)当在损失密封冷却之后轴显著减慢或停止旋转时抵靠轴34收缩。开口环172为单件式不连续的环构件，其沿轴向分开，在正常泵操作期间，面对的端部通过间隔件176保持间隔关系。在图5中，开口环172的相对的端部按舌槽构造机加工而成，以便使得当开口环的端部交叠时，舌部可坐放于凹槽中。在另一个实施例中，相对的端部可带有平接端部或者具有斜接的半搭接接头以使得端部交叠。所示的间隔件176位于间隙中以便在操作期间防止间隔件176的相对端部封闭在轴34上，从而保持环状空间174开放用于控制渗漏。根据本发明，停机密封件在密封件的温度由于损失密封冷却而上升并且优选地泵轴的旋转减慢或停止时致动。间隔件对温度上升(或者因为轴已显著减慢或停止旋转或者由于任何其它原因)做出响应，以便被从开口环172的面对端部移除。这引起开口环的面对端部随着开口环的面对端部彼此接近而抵靠轴34收缩，这样，就阻塞冷却剂通过流动环状空间174的渗漏。优选地，开口环和轴(或者在使用位于轴之上的套筒的情况下的轴套筒)由耐磨材料构造，以便使得如果在旋转轴上被致动，将不会产生磨损球，否则的话磨损球将会用作楔子以便在密封界面之间开通渗漏路径。开口环和轴使用例如17-4不锈钢之类的材料已经被证明能良好地工作。在一个实施例中，间隔件由可分解的(例如易熔的)材料形成，所述材料响应于温度上升而溶解或者显著地失去其压缩强度。在第二实施例中，间隔件通过被动地致动的装置从开口环172拉开。在任一实施例中，柔顺的聚合物密封环178在开口环与实心的保持座圈180之间抵靠开口环172位于轴34周围。当开口环限制通过环状空间174的冷却剂渗漏时，柔顺的聚合物密封环178通过壳体中压力的增加被推靠在轴上，从而形成紧密密封。

图5示出了安装于图4的反应堆冷却剂泵中的根据本发明的第一实施例的停机密封件170。图5的停机密封件设计成在损失密封冷却之后致动并且在泵轴34减慢或者并不旋转时密封防漏。停机密封件位于泵壳体内，环绕轴34。在图2-4中所示的这种类型反应堆冷却剂泵的情况下，可通过在顶部凸缘处机加工出内径的一部分而改动1号密封件嵌件。直到致动为止，停机密封件170基本上完全容纳在曾在改动之前被1号嵌件所占据的空间内，从而基本上不改变其与轴34之间的环状空间174。按这种方式，在旋转设备正常操作期间，沿着轴34通过环状空间174的冷却剂流动基本上不受阻碍。

图5的停机密封件170的致动部分包括低熔点间隔件176，该低熔点间隔件176保持开口环172的面对的端部开放。例如，有利地，在2.16kg的情况下在190℃具有至少25g/10min的熔融指数(使用ASTM 01238试验)、具有218°F(103℃)玻璃化转变点和255°F(124℃)的熔点的线性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene)可用于反应堆冷却剂泵。这种聚合物将会保证停机密封件170在正常操作期间不会致动。当间隔件176软化时，开口环172开始封闭，收缩在轴34周围，同时还仍然保持在改动的1号密封件嵌件中。由中断通过环状空间174的冷却剂流的开口环172跨过密封件产生的压降导致系统压力作用于开口环172上，以便更紧密地密封，直到间隔件176被从开口环172的相面对端部之间挤出为止。在间隔件176不在的情况下，开口环172能充分密封以便引起主密封环178开始密封。开口环172安放在波状弹簧182上，该波状弹簧182迫使开口环172抵靠主密封环178向上，以便保证初始的密封接触，因此跨过开口环172的压降还作用于主密封环178上。波状弹簧为弹性波浪形金属条，即使当停机密封件在旋转轴上致动时，波状弹簧也能保持压缩力。波状弹簧能随着开口环旋转或者使得开口环跨过其面旋转而不失效。波状弹簧将会在轴停下来之后提供足够的弹性力以便在即使开口环或聚合物环磨损的情况下容许建立紧密密封。主密封环178为柔顺的聚合物材料构成的实心环，当通过由开口环172产生的超高压降作用时，主密封环178收缩在轴34周围并且向上抵靠保持环180。随着主密封环178收缩，其产生更大的压降，该更大的压降又进一步将环178更紧地收缩在轴34周围并且向上抵靠保持环180。这种压降还向上推动开口环172与保持环180，保证在全部密封面之间的紧密密封。已经确定的是，优选地，使用如下文所述的PEEK聚合物密封环178，基于8.47英寸(21.5厘米)直径套筒，保持环180的内径被大致限制于一定内径，该内径使得在保持环与套筒之间形成0.065英寸(0.17厘米)挤出间隙的最大值和0.003英寸(0.008厘米)挤压间隙的最小值，并且将跨过聚合物环的压降限制于大致0.2psia(0.014巴)。该最小间隙设定了能穿过密封件的最小尺寸外来物质。理想地，与轴相接的保持环的底部具有大致0.2或更小的摩擦系数，优选地为从0.12至0.2。

一种只使用开口环172来相对于轴34密封而不使用聚合物环178的替代设计方案产生具有较少顺应性因此具有较大渗漏的密封件。聚合物环178能适应于开口环172不能适应的不圆度、划痕、凹陷、碎屑、粗糙度及其它表面不规则特征。在由聚合物环178提供的防漏密封的情况下，没有来自泄漏蒸气的线切割的威胁，而这可能最终毁坏密封面并且引起显著渗漏。聚合物的另一个优点是其能够沿轴向沿着轴滑动和随着其径向移动并且仍然保持紧密密封。这是由于低摩擦系数和它是连续的环。一旦它开始密封，聚合物环178密封就不再需要开口环172。

图2-4的用于反应堆冷却剂泵的聚合物环178优选地由PEEK(聚醚-醚-酮)聚合物形成，只要在300°F下开口环能提供最少350psi(24巴)压降，聚合物环178将会在反应堆冷却剂泵压力和温度下提供防漏密封。PEEK具有300°F(149℃)的玻璃化转变温度；为了保护反应堆冷却剂泵密封件以防不仅可能增加泄漏速率而且可能损伤密封件的不利条件影响的理想致动温度。具有300°F(149℃)玻璃化转变温度意味着聚合物将会为足够柔顺的以便围绕轴顺应符合，但仍然保持抵抗试图将其通过环状空间挤出的剪切力的强度。PEEK为理想的材料，还因为其熔点大于600°F(316℃)，例如647°F(342℃)，保证在高达密封件可能会暴露于的反应堆冷却剂系统温度最大值(56O°F(293℃)的情况下，密封件将会保持完整性。另外，PEEK并不特别地吸水，因此在正常操作期间它不会胀大和封闭环状空间。PEEK不会交联到在9年的预期辐射后改变其性能(玻璃化转变温度、熔点或强度)的程度。在位于轴和1号嵌件之间的反应堆冷却剂泵密封件中具有狭窄环状空间的情况下，0.25英寸(6.35mm)厚的PEEK环能在570°F(299℃)下承受可能跨过其存在的2350psi(162巴)的全部反应堆冷却剂系统压力持续至少72小时，以及在350°F(177℃)和375psi(26巴)的余热排出条件(Residual Heat Removalconditions)下持续至少另外的44小时。因为需要这样少量的PEEK，组成停机密封件的主密封环178以及其它两个环172、180可适配于可允许在没有1号嵌件的结构完整性问题的情况下从1号嵌件内径移除的体积中。不同的流体、温度、压力和空隙可能需要不同的聚合物。

在图5中所示实施例中，开口环172具有交叠的端部，其带有斜接接头。在两个端部之间提供足够的间隙以容许开口环172的端部沿着彼此滑动，以便环172在它将会暴露于的全部可能温度范围内适于略微不同的泵轴直径。不管为开口环的相对端部选择的轮廓如何，应当在开口环的直接相对的端部之间提供足够的间隙，以便使得当开口环在致动温度下包围轴时开口环的直接相对的端部并不彼此接触。然而，该间隙不应太大以致阻止在间隔件移除时形成显著的差压。该间隙必须补偿开口环和轴的差别加热。因此，开口环172不会对轴公差或热膨胀敏感。优选地，开口环172的内径处于在致动温度下所要密封的轴的直径的0.001英寸(0.025mm)范围内。开口环172的顶部、底部和内径表面具有至少16RMS表面光洁度，其中RMS为光洁度的粗糙度的量度。

使用PEEK聚合物的一个优点在于，当在致动之后从系统移除压力时，PEEK聚合物在防漏密封八小时那样多时间之后从轴缩回，并且可容易地由技术人员移除。有利地，PEEK聚合物并不需要为了移除而进行切割或机加工，从而消除了外来物质残余物问题。如果聚合物密封更长时间，它保持收缩，但是当利用锤子轻轻地撞击时容易移除。

保持环180的顶部可涂有PEEK聚合物以便保证对密封件壳体公差和表面条件并不敏感的密封。保持环180可为用于反应堆冷却剂泵停机密封件应用的410型不锈钢。停机密封件部件应当具有与1号嵌件相同的或类似的热膨胀系数，其中保持环180为收缩适配(收缩适配保证所有环和弹簧保持被捕获在1号嵌件中)。当温度上升至56O°F(293℃)时，在不同的热膨胀系数的情况下，保持环将会变形而不均匀地支承PEEK环178，使得它可能挤出并失效。保持环180的顶表面优选地具有至少32RMS表面光洁度，并且，在安装停机密封件之后，保持环180的顶表面与1号嵌件凸缘环状表面齐平或一致。图6示出了在模拟加压水核反应堆的环境中，在使用本发明的停机密封件样品进行停机测试期间取得的数据。

图7示出了本发明的停机密封件170的第二优选实施例，其使用热触发活塞来将间隔件拉动至缩回位置以便围绕泵轴封闭开口环。图7的停机密封件设计成在损失密封冷却之后致动并且当泵轴34减速或不旋转时紧密密封。停机密封件位于泵壳体内，环绕轴34。在图2-4中所示的这种类型反应堆冷却剂泵的情况下，可通过在顶部凸缘处机加工出内径的一部分而改变1号密封件嵌件110。直到致动为止，停机密封件170基本上完全容纳在曾在改变之前被1号嵌件所占据的空间内，从而不改变密封件170与轴34之间的环状空间174。因此，在旋转设备正常操作期间，沿着轴通过环状空间的冷却剂流动基本上不受阻碍。

该优选实施例的停机密封件170的致动部分包括可缩回的间隔件176，该间隔件176保持开口环172的相面对端部开放。可缩回的间隔件116通过热响应机械装置184(例如此处所述的活塞186之类)致动。当间隔件176从开口环172的端部缩回时，开口环172猛地关闭，收缩在轴34周围，同时还仍然保持在改变的1号密封件嵌件中。开口环172安放在波状弹簧182上，该波状弹簧182迫使开口环172向上抵靠密封环178，该密封环178推靠着保持环180。由于中断通过环状空间174的流动所引起的压降还迫使开口环172和密封环178向上，保证在所有密封面之间紧密密封。

在位于轴34和1号嵌件之间的反应堆冷却剂泵密封件中具有狭窄环状空间174的情况下，0.25英寸(6.35mm)厚的开口环172能在552°F(289℃)下承受可能跨过其经受的2350psi(162巴)的全部反应堆冷却剂系统压力，以及在570°F(299℃)下，持续至少28小时，并且在350°F(177℃)和375psi(26巴)的余热排出条件(ResidualHeat Removal conditions)下持续至少另外的44小时。因为这样小的开口环172足够，组成停机密封件170的开口环172、密封环178以和保持环180可适配于可允许在没有1号嵌件110结构完整性问题的情况下从1号嵌件内径移除的体积中。通过热响应机械装置(或致动器)184使可缩回的间隔件176从开口环172的端部缩回。图7和8示出了在正常操作期间间隔件176和致动器184的相对位置。致动器184的轴线优选地相对于轴34的轴线垂直地定位并且凹进入泵壳体中。对于反应堆冷却剂泵，致动器184位于制造于1号嵌件110的凸缘中的孔中，其中内径的一部分已经移除用于停机密封环。

图9示出了在致动事件之前的间隔件176和致动器184组件。如图7、8和9中所示，致动器184包括用于约束弹簧加载的间隔件176的罐装的活塞186。在罐内有蜡188，蜡188在反应堆冷却剂泵的所需致动温度(例如280°F(138℃))下相变，在此将对此进一步描述。这种相变导致蜡188的体积显著增长。例如，比如二十八烷的蜡体积将会增加大约17％。当蜡188相变和膨胀时，它推动活塞头190背离泵轴34。当活塞头190运动时，曾由活塞头190保持就位的球192将会向旁边掉落，并且容许压缩弹簧194膨胀，该压缩弹簧194向后推连接至间隔件176的柱塞196。当弹簧194膨胀时，它推动柱塞196，该柱塞196随其拉动间隔件176，从而从开口环端部之间缩回间隔件176。间隔件176可涂有铬碳化物以便保证腐蚀产物并不增加为了开口环172缩回间隔件176因而弹簧194必须克服的摩擦力。热致动器蜡188可配制成在265-280°F(129-138℃)下改变状态以便致动停机密封件。在282°F(139℃)以上，反应堆冷却剂泵密封件经受混合流(蒸气和水)，该混合流可能非常不稳定并且不可预料。密封件泄漏的报警温度为180-190°F(82-88℃)而停机温度为225-235°F(107-113℃)。使用介于260-280°F(127-138℃)之间的致动温度，就提供了最大量的裕度，同时防止可能不稳定的情况。

尽管这种停机密封件设计方案设计成在停止的轴上密封防漏，但这种停机密封件设计方案还能够在20rpm的转速下密封防漏持续一定时间周期，该时间周期超过轴达到静止需要的时间周期，即使对于完全非密封1号密封件(非密封1号密封件的重要性在后文讨论)。二十RPM为引起反应堆冷却剂泵的轴立即达到停止的大致速度，这时反应堆冷却剂泵马达轴承中的油楔分解。在该速率范围内，由于反应堆冷却剂泵的渐近减速，轴旋转最长，同时马达承轴提供了极低的摩擦阻力。由停机密封件施加于轴的扭矩足以在对停机密封件的显著损伤引起防漏密封件被破坏之前良好地促使反应堆冷却剂泵静止。

这种停机密封件设计方案还能够在以50RPM旋转的轴上致动时在1gpm(3.785lpm)平均速度下控制渗漏。五十RPM为在反应堆冷却剂泵马达在不到1分钟内切断的情况下轴将会旋转的近似速度。停机密封件能承受这种旋转一定时间周期，该时间周期超过轴达到静止所需要的时间周期，即使对于完全非密封的1号密封件。因此，这种停机密封件设计方案为操作人员对损失所有密封冷却事件做出反应提供了裕度。

尽管对于在固定轴上的密封(防漏)是优化的，与反应堆冷却剂泵1号密封件结合的停机密封件的若干部件具有有利于停机密封件在应当密封时进行密封而在不应密封时不密封的性能。它不仅将会密封，而且不会干扰反应堆冷却剂泵密封，或损伤部件。这些性能容许停机密封件承受在全速那样快地旋转的轴上致动并且承受足够长的时间周期，以便设备操作人员采取行动来安全地使反应堆冷却剂泵停止。在一些情况下，停机密封件能承受无限期地在全速轴上密封以便使得反应堆冷却剂泵或设备根本并不需要停机。在发生损失所有密封冷却事件时，当轴在这些情况下确实达到静止时，已经证明停机密封件能够密封，即＜1gpm。

这种停机密封件设计方案利用了1号密封件性能，这些性能不仅保护停机密封件以防被损伤，而且在发生损失所有密封冷却事件时推动它进行密封。1号密封件的保护性能得益于在其面板上的会聚锥角，所述锥角使得密封件泄漏对差压不敏感。这样，它能够与无意中致动的停机密封件均压同时保持在其正常工作范围内。在1号密封件的工作性能将会降低至需要反应堆冷却剂泵切断的程度之前，停机密封件必须产生系统差压的80％。

即使停机密封件能够产生跨过它的系统差压的100％，1号密封件也能够承受其面板的瞬间摩擦。对于跨过停机密封件的系统差压的100％，1号密封件只须对付提供接触力的其自重。即使在1号密封件并不提供任何密封的这种最极端的情况中，停机密封件只能提供这种差压数量持续大致12秒，随后它磨损到它将会从轴充分地释放的程度，以便开始均压-这限制了可用压力引起进一步磨损。

当停机密封件在旋转轴上致动时，损伤受到自限制。开口环只能磨损轴至使得轴的周长减小至在开口环的端部彼此抵靠时开口环的周长的程度。开口环的端部之间的间隙设计成容许环热膨胀而不容许端部抵靠。因此，间隙很小。周长减小是由于磨损造成的轴直径减小的三倍。轴被限制的磨损量几乎不可被人触觉检测到。这种对磨损的限制与旋转的RPM或周期无关。

这种自限制磨损不仅保护轴和开口环以防太大磨损，而且还保护聚合物环和其它部件。一旦已发生最大磨损，则停机密封件不再足够好地密封以使得聚合物环收缩在轴周围。因此，其磨损也被抑制。当停机密封件开放时，下部1号密封件恢复越来越多的差压，存在越来越低的力引起停机密封件磨损。

保持环经过优化以便承受在全速旋转轴上致动并保护下游部件。为了耐用性，其底部表面涂有耐磨涂层，该耐磨涂层随后进行表面处理以便降低它与聚合物环之间的摩擦。通过限制能够穿过保持环与轴形成的环状空间的磨损颗粒的尺寸，保持环保护下游系统和部件。即使停机密封件不幸失效，碎屑将会被容纳在停机密封件的区域中，除非很小，因此足够安全地通过。

保护弹簧以防磨损在于当聚合物环磨损时，弹簧被越来越多地卸载。负载越少，磨损率越小。

这种停机密封件不仅在它无意中致动时不会严重地损伤或损伤1号密封件，而且在发生损失所有密封冷却事件时，如果轴被停止，停机密封件可能密封。损失所有密封冷却事件随之产生超过550°F(288℃)的温度。这种停机密封件设计方案利用这点和利用温度在系统上具有的伴随作用。1号密封件对温度显著增加的响应是使得其锥角滚回，这开放密封并产生更大渗漏。在550°F(288℃)，1号密封件泄漏22gpm(83lpm)。这种停机密封件设计方案按两种方式利用这种流量和温度的增加。增加的流量跨过位于开口环与轴之间的自限制环状空间产生显著更大的差压。然后这种差压引起聚合物环密封。进一步帮助聚合物环密封在于，当温度增加时，聚合物的机械性能降低。因此，随着温度增加，需要越来越小的差压来收缩聚合物环，同时通过开口环产生越来越多的差压。在550°F(288℃)，环状空间将会产生大致900psid(6.21MPad)，而聚合物环将会仅需要100psid(689kPad)来封闭。

即使当整个聚合物环磨掉并且轴磨成其自限制尺寸时，在发生损失所有密封冷却事件时，停机密封件仍然用作限流装置。致密的环状空间将流量限制于少于1号密封件单独获得的最好情况下的流量。

由于聚合物环的物理性能在停机密封件设计成致动的温度以下大得多，聚合物环是自防护的。因此，它在设计温度以下的温度抵抗收缩至轴。这样保护并维护聚合物环完整性，直到接近设计温度。

如果轴装备有开口环将在其上密封的可拆式套筒，开口环可带有平接端部，而非具有斜角接头。如果该套筒直径和表面光洁度受到严格控制，则可使用这种更简单的开口环设计。然而，这种开口环的尺寸必须容许从室温到致动温度的正常增长。环直径太大与太小都同样可能泄漏。太大的话，环的端部将会抵靠整个圆周而不容许整个圆周接触套筒。太小的话，在端部之间将有间隙，流量可能通过该间隙逃逸而不产生足够的差压来降低流量或引起聚合物环收缩。

开口环的闭合力必须控制在两个约束条件内。第一，它不能强度太大以致阻止将缩回致动器的间隔件从开口环的端部之间拉开。第二，该闭合力必须足够大以便在轴周围提供足够的接触从而引起最大差压。

与对上升温度的典型响应相反，本申请中的PEEK获得强度并且结晶以抵抗被通过环状空间挤出。这种现象是由于同时地经由跨过聚合物环的很高差压在聚合物环上施加显著的压应力，同时还由于在停机密封件致动时发生的温度的很大增加而施加大的热应力。这种压缩并不允许主密封环178如它经由热膨胀通常将会发生的那样发生径向张紧。因此，被加到材料的热能导致在材料内发生分子变化，而非膨胀。

当聚合物经过其玻璃化转变温度时，分子达到自身重新排列所需的能量级。这通常导致聚合物变得更加无定形，并且其性能，尤其是拉伸和挠曲性能，开始降低。压缩性能并不以相同的速率降低，因为必须考虑材料的粘稠特性。如果材料不能张紧，加热受约束材料就产生内应力。如果它不能张紧，则能量必须按照其它方式被材料的分子结构“吸收”。在停机密封件中的聚合物环的情况下，由于这么多能量被输入振动其分子链，它移至“低能量”相互支持状态。对于比如PEEK的半结晶聚合物材料，移至相互支持状态为结晶。这增加了材料的分子密度(从1.26g/cc到1.35g/cc)。在聚合物中也发生断链的情况下，超分子自由度有助于容许更多分子重新排列，使得分子结构能够镶嵌在一起并且进一步结晶。

这样的最终结果是PEEK环的机械性能因为同时施加反应堆冷却系统的压力和温度而显著地增加。换句话说，首先温度增加降低了PEEK的机械性能，容许它收缩并且开始密封。当环开始密封时，压缩力增加并且与热应力结合。对挤压的抵抗作用迅速地增加至完全抑制任何进一步挤压的程度。在停机密封件应用中，挤压入由轴中的保持环形成的环状空间的PEEK体积被限制在总环体积的大致2％。这与暴露于570°F(299℃)和2350psid(162巴)的持续时间无关，除了八小时之外。当暴露时间少于八小时时，环并不永久性地变形。因此，当移除压力和温度时，环返回至其原始尺寸并且1号密封件渗漏路径被恢复(然而开口环保持收缩)。然而，当暴露至少八小时时，PEEK将会不可逆地结晶并且具有略微更低的体积(减少7％)。因此，环的内径将会“收缩”，并且仍将会紧密地夹紧至轴/套筒。

图10示出了在模拟加压水核反应堆的环境中，在使用本发明的优选实施例的停机密封件样品进行停机测试期间取得的数据。图10表明，样品密封件在到达致动温度之后少于约45秒内有效地关闭冷却剂流。

图11示出了本发明的停机密封件的开口环172的另一种改进方案，用于保在处于受约束开放位置时证开口环并不伸入位于轴34与一号嵌件110之间的环状空间174中。开口环172的圆周的例如介于2-5度之间优选地3度的短段198被加强，其与开口环开口200处于180度相对。而没有更宽径向段198的情况下，开口环优选地膨胀90度至间隙200，当背离开口200集缩180度时，这样使它变形成卵形。通过加强区域198，应力被更均等地分布并且形成更圆的内径。按这种方式，开口环172的内径更好地适配1号嵌件110的内径的形状，其中开口环172必须与1号嵌件110保持同心以免干扰环状空间174中的流动蒸气。

因此，这些实施例设计成用于在发生损失所有密封冷却事件(例如由电站关闭引起，比如由于损失所有交流动力)时密封反应堆冷却剂泵。这些停机密封件将会满足以下要求：美国核管理委员会(USNuclear Regulatory Commission)电站关闭要求(保护堆芯4-8小时的强制应对时间周期)、其附录R要求(在点火期间，保证足够的冷却剂体积以便保持加压器控制，从而使设备在72小时内冷停机)、以及美国国家防火协会(National Fire Protection Association)标准805条例(防止在550°F(288℃)密封件泄漏183gpm(693lpm))。另外，停机密封件将会显著地改进公用设施的减轻系统性能指标(MitigatingSystems Performance Index)裕度。

尽管上文详细描述了本发明的特定实施例，但是本发明所属领域的普通技术人员应当理解，可以根据本发明公开内容的总体教导产生对这些详细方案的各种改型和替代方案。因此，所公开的特定实施例仅为示例性的，而非限制本发明的范围，本发明的范围包括所附权利要求的全部范围及其等同的任何和所有方案。

Claims (21)

1.一种停机密封件，用于包围旋转轴并且在轴的旋转减慢或轴不旋转之后防止位于包围轴的环状空间中的流体经过停机密封件泄漏，所述停机密封件包括：

包围轴的能收缩的开口环，所述开口环具有相面对端部和在轴旋转时与轴隔开的内径，所述内径限定环状空间的一部分；

间隔件，所述间隔件设置在开口环的相面对端部之间，用于在轴正常操作期间在相面对端部之间保持环形空间，当液体上升到预选温度以上时，所述间隔件能被从所述相面对端部之间移除，以便使得开口环能收缩从而收窄或基本上密封环状空间的一部分；

基本上刚性的保持环，所述保持环围绕轴并沿着轴隔开，沿液体流动方向处于开口环上游，所述保持环具有在轴旋转时与轴隔开的内径，所述保持环的内径限定环状空间的一部分；以及

柔顺的聚合物环，所述聚合物环包围轴并且置于开口环与保持环之间，所述聚合物环具有在轴旋转时与轴隔开的内径，所述聚合物环的内径限定环状空间的一部分，当开口环收缩并朝向轴移至环状空间中时，所述柔顺的聚合物环被跨过聚合物环的压差朝向轴推动。

2.根据权利要求1所述的停机密封件，其中聚合物环具有接近所述预选温度的玻璃化转变温度。

3.根据权利要求2所述的停机密封件，其中聚合物为PEEK聚合物。

4.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述预选温度为300华氏度（149摄氏度）或更高。

5.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述间隔件包括线性低密度聚乙烯，所述线性低密度聚乙烯在2.16kg的情况下在190摄氏度具有至少25g/10min的熔融指数，具有218华氏度的玻璃化转变点和255华氏度的熔点。

6.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述停机密封件包括弹簧，所述弹簧设置成基本上沿轴的轴线方向抵靠所述柔顺的聚合物环偏压开口环。

7.根据权利要求6所述的停机密封件，其中所述弹簧为波状弹簧。

8.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述聚合物环为实心的连续环。

9.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述聚合物环为0.25英寸厚。

10.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述开口环的内径在轴的直径的正0.001英寸范围内。

11.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述停机密封件包括附接至间隔件的热响应致动器，所述间隔件对环状空间内的液体的温度上升到所述预选温度或所述预选温度以上做出响应，以从开口环的相面对端部之间拉开间隔件。

12.根据权利要求11所述的停机密封件，其中所述热响应致动器为能在缸内运动的活塞，所述活塞对在所述预选温度下位于缸内的材料的状态变化做出响应，以沿从开口环的相面对端部之间拉开间隔件的方向运动。

13.根据权利要求12所述的停机密封件，其中所述材料为蜡。

14.根据权利要求13所述的停机密封件，其中所述蜡为二十八烷。

15.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述保持环至少部分地涂有聚合物。

16.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述开口环具有与开口环的相面对端部相隔180度的径向加厚圆周部分。

17.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述开口环或者所述轴由17-4不锈钢构造。

18.根据权利要求1所述的停机密封件，其中所述保持环的内径在所述保持环与轴之间形成介于0.003英寸（0.008厘米）与0.065英寸（0.17厘米）之间的挤压间隙。

19.根据权利要求18所述的停机密封件，其中跨过所述柔顺的聚合物环的压降小于或等于0.2psia（0.014巴）。

20.根据权利要求1所述的停机密封件，其中与轴相接的保持环的底部具有0.2或更小的摩擦系数。

21.一种泵，所述泵具有叶轮部分，所述叶轮部分通过轴连接至马达，所述轴可旋转地支承在马达与叶轮之间，密封件壳体插入马达与叶轮部分之间的轴周围，所述密封件壳体具有停机密封件，用于包围旋转的轴并且在轴的旋转减慢或停止之后防止位于包围轴的环状空间中的流体经过停机密封件泄漏，所述停机密封件包括：

包围轴的能收缩的开口环，所述开口环具有相面对端部和在轴旋转时与轴隔开的内径，所述内径限定环状空间的一部分；

间隔件，所述间隔件设置在开口环的相面对端部之间，用于在轴正常操作期间在相面对端部之间保持环形空间，当液体上升到预选温度以上时，所述间隔件能被从所述相面对端部之间移除，以便使得开口环能收缩从而收窄或基本上密封环状空间的一部分；

基本上刚性的保持环，所述保持环围绕轴并沿着轴隔开，沿液体流动方向处于开口环上游，所述保持环具有在轴旋转时与轴隔开的内径，所述保持环的内径限定环状空间的一部分；以及

柔顺的聚合物环，所述聚合物环包围轴并且置于开口环与保持环之间，所述聚合物环具有在轴旋转时与轴隔开的内径，所述聚合物环的内径限定环状空间的一部分，当开口环收缩并朝向轴移至环状空间中时，所述柔顺的聚合物环被跨过聚合物环的压差朝向轴推动。

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