CN102345591B - 一种保压检修密封实验台 - Google Patents

Abstract

本发明为一种保压检修密封实验台，是为了检验保压检修密封而开发的等比性能测试实验台，包括实验台本体、冷却水系统、高压气源系统、加热系统、温度测量系统以及螺栓拉力测量系统，本发明能够在模拟实际工况下，检验保压检修密封功能和关键零部件的可行性及可靠性，实现了一级检修密封工作状态下的密封性能试验；二级检修密封多次接合后的密封性能试验；冷却套的冷却能力分析；盖板与冷却套拆除后，检修密封结构中残余水处理方法研究；底部腔室在高压状态下，一级检修密封压盖螺栓的拆卸过程与方法研究；温度对各个密封的影响研究，主要测量主轴温度、高压腔内温度、低压腔温度、沿轴向的温度变化；主轴偏斜对二级密封性能的影响。

Description

一种保压检修密封实验台

技术领域

本发明属于保压系统领域，特别涉及一种保压检修密封实验台。

背景技术

高温气冷堆是第四代核反应堆的一种，它采用氦气作为冷却剂，堆芯出口温度高达850～1000摄氏度。它具有热效率高、燃耗转换比高，本质安全等优点，是我国重点发展的第四代先进核能系统技术之一。高温气冷堆一回路系统中，用于驱动冷却剂在系统内循环流动的风机称为主风机。主风机是气冷堆的“心脏”部件，是保障核电运转安全，控制冷却介质循环的关键部件。

高温气冷堆主风机由蜗壳、叶轮、驱动电机、支撑系统、密封系统和风机壳体组成。由于主风机驱动的冷却介质（氦气）带有辐射性，因此为了避免带有放射性的氦气泄漏，主风机中要实施对带放射性的氦气的密封。目前，主风机主要有两种结构：一种是轴封式结构——即在叶轮和电机之间安装轴封系统，另一种是屏蔽电机结构——将驱动电机置于密封金属筒体内，使之被屏蔽套屏蔽起来。

高温气冷堆核电站的一回路冷却剂循环风机在采用机械密封作为轴封的时候，检修时面临泄压的需求。气冷堆的工作压力约为常压的数60-70倍，一旦泄压，气体体积将膨胀为工作时体积的60-70倍，如此大量的带有放射性的气体储藏困难。如果通过排放到大气泄压，一方面会导致昂贵的工作气体（氦气）大量流失浪费；另一方面排放前必须进行严格净化，致使运营成本大幅提高。如果通过加压储存方式泄压，则需要较长时间，同时，也需要建造一个和核反应堆类似容积的储气装置，在重新启动气冷堆时，还要再逐步加压，整个过程耗时长、难度大，泄压检修带来的经济损失严重。

为此发明了高温气冷堆主风机的保压检修密封装置，在检修更换主风机轴封时，反应堆内的压力不降低。保压检修密封的专利申请号为CN201010168182.5，为检验保压检修密封装置的工作性能，开发了保压检修密封等比实验台。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种保压检修密封实验台，能在模拟实际工况下，检验保压检修密封功能和关键零部件的可行性及可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种保压检修密封实验台，包括由冷却水套、环状的中间本体和盆状的下本体依次扣合组成的实验台本体，扣合后形成与保压检修密封装置配合的封闭内腔，冷却水套和中间本体相接处对应保压检修密封装置的一级检修密封，中间本体和下本体相接处对应保压检修密封装置的二级检修密封，冷却水套和中间本体通过双头螺柱连接，

还包括：

冷却水系统，包括冷却水套以及为冷却水套供水的供水系统，冷却水套上有冷却水入口、冷却水出口以及内部流道,冷却水入口的一端与供水系统相连通,冷却水入口的另一端与内部流道的一端相连通,内部流道的另一端与冷却水出口相连通；

高压气源系统，分别通过第一进气口和第二进气口为内腔内部的活塞提供高压空气，高压气源系统还通过第三进气口与内腔连通，第一进气口和第二进气口位于冷却水套上，第三进气口位于下本体上，冷却水套顶端开有测量泄漏量的漏气通道口；

加热系统，位于下本体底部；

温度测量系统，由多个位于内腔中的温度传感器组成，温度传感器的分布至少应该覆盖第三进气口、内腔内部与二级检修密封等水平位置、内腔内部与一级检修密封等水平位置、以及内腔内部保压检修密封装置顶端等水平位置，用来检测保压检修密封装置主轴温度分布及冷却水套用橡胶密封周围的温度；

螺栓拉力测量系统，由螺栓拉伸器、应变片以及静态应变仪组成，其中螺栓拉伸器设置于双头螺柱头部，应变片设置于双头螺柱在冷却水套内部的光杆部分上。

第一进气口和第二进气口为竖直孔，第三进气口为水平孔。

所述冷却水入口处设置水流量计，冷却水入口和冷却水出口处都设置温度传感器，所述漏气通道口处设置气体流量计。

所述高压气源系统分为并联的检修密封气支路和工作密封气支路，检修密封气支路连接第一进气口和第二进气口，工作密封气支路连接第三进气口。

所述检修密封气支路的气压为18MPa，所述工作密封气支路的气压在4～7MPa，检修密封气支路和工作密封气支路都带有调节阀和截止阀。

保压检修密封装置通过弹簧支撑安装在内腔中。

本发明采用了最小的成本验证保压检修密封系统的性能及其可靠性，还可以用于其他场合的检修密封装置的等比性能试验。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实验台本体结构示意图。

图3为双头螺柱布置图。

图4为螺栓拉伸器与应变片安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种保压检修密封实验台，包括用来装载保压检修密封装置的实验台本体15，为实验台本体15提供检修试验冷却环境的冷却水系统16，为试验提供检修气和工作气的高压气源系统17，为试验提供加热的加热系统18，用来检测保压检修密封装置主轴温度分布及冷却水套5用橡胶密封周围温度的温度测量系统19，以及用来测试高压状态下一级检修密封压盖螺栓拆卸的螺栓拉力测量系统20。

其中，

冷却水系统16，包括冷却水套5以及为冷却水套5供水的供水系统，冷却水套5上有冷却水入口10、冷却水出口6以及内部流道11,冷却水入口10的一端与供水系统相连通,冷却水入口10的另一端与内部流道11的一端相连通,内部流道11的另一端与冷却水出口6相连通；

高压气源系统17，分为并联的检修密封气支路23和工作密封气支路24，检修密封气支路23连接第一进气口7和第二进气口9，为内腔3内部的活塞1提供高压空气，工作密封气支路24通过第三进气口4与内腔3连通，第一进气口7和第二进气口9位于冷却水套5上，第三进气口4位于下本体14上，冷却水套5顶端开有测量泄漏量的漏气通道口8，所述检修密封气支路23的气压为18MPa，所述工作密封气支路24的气压在7Mpa，检修密封气支路23和工作密封气支路24都带有调节阀和截止阀；

加热系统18，位于下本体14底部；

温度测量系统19，由多个位于内腔3中的温度传感器组成，温度传感器的分布至少应该覆盖第三进气口4、内腔3内部与二级检修密封等水平位置、内腔3内部与一级检修密封等水平位置、以及内腔3内部保压检修密封装置顶端等水平位置，用来检测保压检修密封装置主轴温度分布及冷却水套5用橡胶密封周围的温度；

螺栓拉力测量系统20，由螺栓拉伸器21、应变片22以及静态应变仪组成，其中螺栓拉伸器21设置于双头螺柱12头部，应变片22设置于双头螺柱12在冷却水套5内部的光杆部分上。

如图2所示，为实验台本体结构示意图，包括由冷却水套5、环状的中间本体13和盆状的下本体14依次扣合组成的实验台本体15，扣合后形成与保压检修密封装置配合的封闭内腔3，冷却水套5和中间本体13相接处对应保压检修密封装置的一级检修密封，中间本体13和下本体14相接处对应保压检修密封装置的二级检修密封，冷却水套5和中间本体13通过双头螺柱12连接，第一进气口7和第二进气口9为竖直孔，第三进气口4为水平孔。

如图4所示，为螺栓拉伸器与应变片安装位置示意图，其中螺栓拉伸器21设置于双头螺柱12头部，应变片22设置于双头螺柱12在冷却水套5内部的光杆部分上。

下面对本发明具体测量的指标和方法进行分别叙述。

检修密封实验台辅助参数：

1）高压气源系统17，压力7MPa，对腔体充气后关闭。设置压力检验，可考察压力随时间的变化，间接换算泄漏；

2）一级密封投入工作的辅助气源压力18MPa，带有截止阀与调压阀；冷却水循环系统16，流量不小于12升/分，纯净水，过滤精度5微米。

一、保压检修实验台的本体概述

实验台中检修密封结构与实际尺寸比例为1：1（保压检修密封的主体结构参见专利CN201010168182.5），即包含一级检修密封和二级检修密封；为模拟高温环境设计了大功率加热装置，在腔体3底部进行加热；通过第三进气口4输入高压气体。同时，设计了模拟冷却水系统16，可通过安装在主轴上沿轴向分布的温度传感器检测主轴温度分布及冷却水套5用橡胶密封周围的温度，研究不同冷却水流量下的冷却效果。

沿腔体圆周方向、不同深度布置4个温度传感器：传感器布置位置为第三进气口4、内腔3内部与二级检修密封等水平位置、内腔3内部与一级检修密封等水平位置、以及内腔3内部保压检修密封装置顶端等水平位置。其中，设计了深入到试验气体腔内的温度传感器以准确检测密封气体的加热温度。开启底部加热系统18，对试验腔体进行加热，每隔2分钟记录一组传感器温度示数。考察腔体平均温度升高到250℃所需时间，同时考察升温过程中各点温度均匀性；

上述第三进气口4内部的温度升高到250℃时，调节加热系统18功率使腔体保温。在上端测量介质泄漏量的漏气通道口8接入气体流量计（或氦质谱仪），下端第三进气口4开启，加压至7MPa，保压30分钟，开始进行各项试验。

二、保压检修密封实验台的密封性能测量

通过图2所示的第三进气口4向密封腔体内通入高压气体，启动一级检修密封，加压至7.5MPa，保压5分钟。保持一级检修密封圈闭合，在图2中的漏气通道口8处通过流量计测量密封泄漏量。

三、保压检修密封实验台的冷却能力测量

在冷却水入口10布置一个液体流量计，测循环水正常工作时的流量。在冷却水入口10和冷却水出口6各布置一个温度传感器，记录冷却水的进出口温度。

将密封腔压力调整并保持在7MPa，控制腔内气体温度为250℃。改变冷却水流量，测量冷却水的入、出口温度记录数据。

关闭实验台的加热系统，继续冷却高压的内腔3，腔体温度降低到60℃左右时，关闭冷却水系统6。让腔体自然冷却，当腔体温度冷却到50℃左右，通过抽水泵排出冷却水，不能再出水时，取下抽水泵。在冷却水入口10接通压缩空气，在冷却水道中连续吹气15分钟。停止吹气后，开启端盖，观察冷却水套5中是否还有残余水分。如果冷却水套5中还有残余水分，继续吹气直至吹干水分，记录时间。

四、保压检修密封实验台的二级密封切换试验

在安装实验台前，在每个锁紧双头螺柱12上安装应变片，双头螺柱12的数量一共为12个，周向均匀分布，具体安装位置如图3。

完成试验一后，切断加热炉电源，停止给密封实验台加热，观测温度传感器和第三进气口4处压力表，通过冷却水系统16通冷却水，待实验台降温到30℃后，打开检修密封气支路23的进气阀，调节腔体压力至4MPa。

采用螺栓拉伸器拆下实验台端盖双头螺柱，根据螺栓拉伸器校核计算，需要使用三个螺栓拉伸器方能保证在拉伸过程中绝对安全。1）安装螺栓拉伸器21，将螺栓拉伸器21对称安装在3个双头螺柱12上，初始安装时，使液压缸体与下部压块之间预留10mm左右间隙；2）给螺栓拉伸器21加压至30-35MPa。（此时，液压缸体与压块之间产生同样的与压力；3）将螺栓拉伸器21下的3个双头螺柱12松开至最大位置；4）对称、交替松开其他双头螺柱12，直至全部双头螺柱12松脱到位。注意：若在第4步中有螺栓松不开，则检查螺栓拉伸器21下的3个双头螺柱12是否也又被锁紧。若是，则继续将螺栓拉伸器加压至30MPa。重复3）、4）步骤。

双头螺柱12松脱到位后，实现一级检修密封和二级检修密封的切换，保压保温30分钟。

通过采用氦质谱仪或排水法测量并记录漏气通道口8、压盖界面圆周方向的泄漏量考察二级检修密封的性能。重复上述步骤6-8次，测得二级检修密封性能随切换次数的变化。

综上，利用本发明实现了一级检修密封工作状态下的密封性能试验；二级检修密封多次接合后的密封性能试验；冷却套的冷却能力分析；盖板与冷却套拆除后，检修密封结构中残余水处理方法研究；底部腔室在高压状态下，一级检修密封压盖螺栓的拆卸过程与方法研究；温度对各个密封的影响研究，主要测量主轴温度、高压腔内温度、低压腔温度、沿轴向的温度变化；主轴偏斜对二级密封性能的影响。由于所测试的保压检修密封还可以应用在其他需要保压检修的工业场所，因此，本发明所提出的试验装置可用于服务与其他场合的检修密封装置的等比性能试验。

Claims (8)

1.一种保压检修密封实验台，包括由冷却水套(5)、环状的中间本体(13)和盆状的下本体(14)依次扣合组成的实验台本体(15)，扣合后形成与保压检修密封装置配合的封闭内腔(3)，冷却水套(5)和中间本体(13)相接处对应保压检修密封装置的一级检修密封，中间本体(13)和下本体(14)相接处对应保压检修密封装置的二级检修密封，冷却水套(5)和中间本体(13)通过双头螺柱(12)连接，

其特征在于，还包括：

冷却水系统(16)，包括冷却水套(5)以及为冷却水套(5)供水的供水系统，冷却水套(5)上有冷却水入口(10)、冷却水出口(6)以及内部流道(11)，冷却水入口(10)的一端与供水系统相连通，冷却水入口(10)的另一端与内部流道(11)的一端相连通，内部流道(11)的另一端与冷却水出口(6)相连通；

高压气源系统(17)，分别通过第一进气口(7)和第二进气口(9)为内腔(3)内部的活塞(1)提供高压空气，高压气源系统(17)还通过第三进气口(4)与内腔(3)连通，第一进气口(7)和第二进气口(9)位于冷却水套(5)上，第三进气口(4)位于下本体(14)上，冷却水套(5)顶端开有测量泄漏量的漏气通道口(8)；

加热系统(18)，位于下本体(14)底部；

温度测量系统(19)，由多个位于内腔(3)中的温度传感器组成，温度传感器的分布至少应该覆盖第三进气口(4)、内腔(3)内部与二级检修密封等水平位置、内腔(3)内部与一级检修密封等水平位置、以及内腔(3)内部保压检修密封装置顶端等水平位置，用来检测保压检修密封装置主轴温度分布及冷却水套(5)用橡胶密封周围的温度；

螺栓拉力测量系统(20)，由螺栓拉伸器(21)、应变片(22)以及静态应变仪组成，其中螺栓拉伸器(21)设置于双头螺柱(12)头部，应变片(22)设置于双头螺柱(12)在冷却水套(5)内部的光杆部分上；

所述第一进气口(7)和第二进气口(9)为竖直孔；

所述第三进气口(4)为水平孔。

2.根据权利要求1所述的保压检修密封实验台，其特征在于，所述冷却水入口(10)处设置水流量计，冷却水入口(10)和冷却水出口(6)处都设置温度传感器。

3.根据权利要求1所述的保压检修密封实验台，其特征在于，所述漏气通道口(8)处设置气体流量计。

4.根据权利要求1所述的保压检修密封实验台，其特征在于，所述高压气源系统(17)分为并联的检修密封气支路(23)和工作密封气支路(24)，检修密封气支路(23)连接第一进气口(7)和第二进气口(9)，工作密封气支路(24)连接第三进气口(4)。

5.根据权利要求4所述的保压检修密封实验台，其特征在于，所述检修密封气支路(23)的气压为18MPa，所述工作密封气支路(24)的气压在4～7MPa。

6.根据权利要求5所述的保压检修密封实验台，其特征在于，所述检修密封气支路(23)和工作密封气支路(24)都带有调节阀和截止阀。

7.根据权利要求1所述的保压检修密封实验台，其特征在于，保压检修密封装置通过弹簧支撑安装在内腔(3)中。

8.根据权利要求1所述的保压检修密封实验台，其特征在于，双头螺柱(12)的数量为12个，周向均匀分布。

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