CN104976150B - 核反应堆冷却剂泵及其非能动停车密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆冷却剂泵及其非能动停车密封装置。非能动停车密封装置包括密封环、开口环和可熔间隔块；密封环为闭合圆环，开口环上开设有纵向开口，可熔间隔块为横截面与开口环横截面相同的弧段，可熔间隔块嵌入开口环的纵向开口中，与被撑开的开口环共同形成一个拼接环；在正常工况下，密封环和拼接环均环绕在核反应堆冷却剂泵泵轴的周向并与泵轴保持间隙；在全厂断电工况下，可熔间隔块熔化失效，开口环在预紧力作用下闭合而抱紧泵轴。与现有技术相比，本发明非能动停车密封装置仅有三个元件，其不仅能够在不依赖于应急轴封注入系统的条件下满足全厂断电工况时的轴封完整性要求，而且具有结构简单、双层密封牢固的优点。

Description

核反应堆冷却剂泵及其非能动停车密封装置

技术领域

本发明属于核电领域，更具体地说，本发明涉及一种核反应堆冷却剂泵及其非能动停车密封装置。

背景技术

在压水堆核电厂中，流体静压轴封型冷却剂泵是由三相感应式电动机驱动的单级、单吸、立式混流泵。图1是一种现有核反应堆冷却剂泵的结构示意图，其从上至下依次由电动机10、静压轴封组件12和水力部件14组成，泵轴贯穿整个冷却剂泵的中心；反应堆冷却剂由一个装在泵轴下端的叶轮泵送，其通过泵壳底部吸入并向上流过叶轮，然后通过导叶和泵壳侧面的一个出口接管排出。

请参阅图2，冷却剂泵中的静压轴封组件12采用三级轴封，包括依次设置在水力部件14和电动机10之间的第一密封组件15、第二密封组件16和第三密封组件17；三个密封组件15、16、17设置在泵轴18的周向并沿泵轴18轴向依次排列，第一密封组件15和第二密封组件16外部还设有密封壳19。其中，第一密封组件15是平衡型流体静压型可控泄漏密封，第二密封组件16是压力平衡型端面密封，第三密封组件17是堰式双端面密封。

请参阅图3，第一密封组件15包括依次设置在水力部件14和第二密封组件16之间的动环150、静环152、密封插入件154和密封插入支撑件156；密封插入件154和密封插入支撑件156的内壁均与泵轴18之间存在缝隙；动环150固定在泵轴18上而随泵轴18转动，静环152不转动但可以沿泵轴18的轴向或倾斜方向小幅上下移动，以跟动环150保持恰当间隙。在正常运行工况下，静环152通过流体静力平衡，控制动环150、静环152之间保持极小的间隙形成液膜，使动环150、静环152两个端面在一层薄水膜两侧相对滑动，运转时不直接接触，从而控制第一密封组件15的泄漏量和磨损量。在静环152与相邻的结构件之间配有O形环及辅助元件，以在高压区和低压区之间形成一个可滑移的辅助密封。

在正常运行工况下，第一密封组件15的冷却由RCV系统(Chemical and VolumeControl System，即化学及容积控制系统)提供的注入水来保障。但是，在全厂断电工况下，RCV系统功能会丧失而无法为冷却剂泵中的静压轴封组件12提供正常冷却，同时，RRI系统(Equipment Cooling Water System，即设备冷却水系统)的功能也会丧失，无法为冷却剂泵中的第一密封组件15提供备用冷却。此时，一回路(指反应堆冷却剂系统主回路)的高温流体将很快威胁到静压轴封组件12，其热应力可能使冷却剂泵轴封功能丧失，从而破坏一回路压力边界。

为此，部分核电厂在全厂断电工况发生后，通过水压试验泵柴油发电机组(LLS系统)向一回路的水压试验泵供电，以保证水压试验泵向冷却剂泵轴封应急注水，维持第一密封组件15处的冷却及润滑，同时将高温高压反应堆冷却剂限制在第一密封组件15下方，保证第一密封组件15处的温度在其运行要求的范围内，防止冷却剂泵轴封破口事故(SealLOCA)发生，保证一回路压力边界的完整性。但是，由于现有核电厂多为双堆布置，两台机组共用一台水压试验泵，在设计上也仅考虑单台机组发生断电事故，因此水压试验泵的名义流量为6m3/h，仅能满足一台机组3台冷却剂泵的轴封水注入量需求；这导致在全厂断电工况时，另外一台机组的冷却剂泵应急轴封注入无法保证而发生轴封破口事故；在失去了所有的补水手段后，一回路的泄漏无法得到补充，水装量得不到保证，将使得堆芯逐渐裸露并最终熔化。

为了解决上述问题，一些核电厂提出通过封闭反应堆冷却剂泄露途径来保证堆芯的安全，以避免全厂断电工况下对冷却剂泵应急轴封注入系统的依赖。在全厂断电工况下，冷却剂泵第一密封组件15处的高温高压流体流动方向如图4的箭头所示，从图中可以看出，限制反应堆冷却剂向环境泄漏的关键在于对两个重要密封位置20、22进行密封。现有的部分核电厂已开始采用非能动停车密封技术来保证冷却剂泵轴封的完整性，其具体操作方式是：1)直接在冷却剂泵第一密封组件15的密封插入件154内增加非能动停车密封装置24，来实现第一密封位置20处的密封；2)采用耐高温橡胶O圈26，实现第二密封位置22处(即密封插入支撑件156与密封壳19之间)的密封。但是，现有的非能动停车密封装置24大都元件众多且装配复杂，不仅使得轴封组件制造难度和成本加大，而且易于因某一个或多个元件故障而导致密封失效。

有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、密封牢固的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种结构简单、密封牢固的核反应堆冷却剂泵及其非能动停车密封装置，以提高冷却剂泵轴封的可靠性，在不依赖冷却剂泵应急轴封注入系统的情况下防止冷却剂泵轴封破口事故的发生。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其包括密封环、开口环和可熔间隔块；所述密封环为闭合圆环；开口环具有弹性变形能力，其上开设有纵向开口，可熔间隔块为横截面与开口环横截面相同的弧段，可熔间隔块嵌入开口环的纵向开口中，与被撑开为开启状态的开口环共同形成一个拼接环，拼接环贴合于密封环朝向冷却剂流入方向的端面；在正常工况下，密封环和拼接环均环绕在核反应堆冷却剂泵泵轴的周向并与泵轴保持间隙，使反应堆冷却剂可以在非能动停车密封装置与泵轴之间自由流动；在全厂断电工况下，可熔间隔块将熔化失效，使开口环在自身预紧力作用下闭合而抱紧泵轴，实现初步密封，并使得高温高压冷却剂能够流进密封环的外侧区域；密封环在冷却剂的高温作用下略微变软，并在冷却剂对其外侧施加的高压驱动下压紧泵轴而对泵轴进行二次密封，密封环与开口环一起阻止反应堆冷却剂沿泵轴的流动，从而实现最佳密封。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，在全厂断电工况下，略微变软的密封环在冷却剂驱动下向泵轴方向压紧的同时，还在冷却剂驱动下沿远离开口环的方向，向相邻元件压紧。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述开口环由具有弹性变形能力的材料制成，其在被可熔间隔块撑开时具有趋向闭合的预紧力。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述开口环为具有纵向开口的金属环。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述可熔间隔块的材质使其在预设温度下、经过预设时间后，即会产生相变而挥发，失去对开口环的支撑作用。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述开口环上开设有允许冷却剂穿过而到达密封环外侧区域的开孔。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述密封环由常温下保持刚性、高温下略微变软的高分子聚合物制成。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述密封环的材质为PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述密封环的材质为含有玻璃纤维的PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述密封环的材质为含有碳纤维的PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述密封环的内径略大于泵轴的外径，可熔间隔块和开口环共同形成的拼接环的内径与密封环内径相同。

作为本发明另一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的一种改进，所述可熔间隔块的长度等于开口环与密封环的周长差。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种核反应堆冷却剂泵，其包括从上至下依次设置的电动机、静压轴封组件和水力部件，以及一根贯穿整个冷却剂泵中心的泵轴；所述静压轴封组件包括依次设置在冷却剂泵水力部件和电动机之间的多个密封组件，这些密封组件均设置在泵轴的周向；所述多个密封组件中的至少一个与泵轴之间设有上述任一段落所述的非能动停车密封装置，从而在全厂断电工况下通过非能动停车密封装置实现该密封组件与泵轴的密封。

作为本发明核反应堆冷却剂泵的一种改进，所述静压轴封组件中最靠近水力部件的一个密封组件为第一密封组件，核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置安装在静压轴封组件的第一密封组件上。

作为本发明核反应堆冷却剂泵的一种改进，所述核反应堆冷却剂泵静压轴封组件的第一密封组件包括动环、静环、密封插入件和密封插入支撑件，核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置安装在密封插入件内壁所开设的收容槽中，或是安装在密封插入支撑件内壁所开设的收容槽中；在全厂断电工况下，略微变软的密封环在冷却剂驱动下向泵轴方向压紧的同时，还在冷却剂驱动下沿远离开口环的方向，向密封插入件或密封插入支撑件压紧，并在泵轴与密封插入支撑件或密封插入件之间的缝隙中有微量挤出。

作为本发明核反应堆冷却剂泵的一种改进，所述静压轴封组件采用三级轴封，包括依次设置在水力部件和电动机之间的第一密封组件、第二密封组件和第三密封组件；其中，第一密封组件是平衡型流体静压型可控泄漏密封，第二密封组件是压力平衡型端面密封，第三密封组件是堰式双端面密封。

与现有技术相比，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置仅有三个元件，其不仅能够在不依赖于应急轴封注入系统的条件下满足全厂断电工况时的轴封完整性要求，而且具有结构简单、双层密封牢固的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核反应堆冷却剂泵、非能动停车密封装置及其有益技术效果进行详细说明。

图1为一种现有核反应堆冷却剂泵的结构示意图。

图2是图1所示冷却剂泵中的静压轴封组件的剖视图。

图3是图1所示冷却剂泵中的第一密封组件的剖视图。

图4为现有非能动停车密封技术的结构示意图。

图5为本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置在核反应堆冷却剂泵第一密封组件上的安装位置示意图。

图6为本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的分解结构示意图。

图7为本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的组合结构示意图。

图8为正常工况下本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的状态及其附近冷却剂流向的示意图。

图9为全厂断电工况下本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置启动瞬间的状态及其附近冷却剂流向的示意图。

图10为全厂断电工况下本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置的状态及其附近冷却剂流向的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明核反应堆冷却剂泵包括从上至下依次设置的电动机、静压轴封组件和水力部件，以及一根贯穿整个冷却剂泵中心的泵轴；反应堆冷却剂由一个装在泵轴下端的叶轮泵送，其通过泵壳底部吸入并向上流过叶轮，然后通过导叶和泵壳侧面的一个出口接管排出。

静压轴封组件采用三级轴封，包括依次设置在冷却剂泵水力部件和电动机之间的第一密封组件、第二密封组件和第三密封组件；三个密封组件设置在泵轴的周向并沿泵轴轴向依次排列，第一密封组件和第二密封组件外部还设有密封壳。其中，第一密封组件是平衡型流体静压型可控泄漏密封，第二密封组件是压力平衡型端面密封，第三密封组件是堰式双端面密封。

第一密封组件包括依次设置在水力部件和第二密封组件之间的动环、静环、密封插入件和密封插入支撑件；密封插入件和密封插入支撑件的内壁均与泵轴之间存在缝隙；密封插入支撑件的部分外壁紧贴密封壳而与密封壳密封。动环固定在泵轴上而随泵轴转动，静环不转动但可以沿泵轴轴向或倾斜方向小幅上下移动，以跟动环保持恰当间隙。在正常运行工况下，静环通过流体静力平衡，控制动环、静环之间保持极小的间隙形成液膜，使动环、静环的两个端面在一层薄水膜两侧相对滑动，运转时不直接接触，从而控制第一密封组件的泄漏量和磨损量。在静环与相邻的结构件之间配有O形环及辅助元件，以在高压区和低压区之间形成一个可滑移的辅助密封。为了能够在全厂断电工况下保证堆芯的安全，本发明还在第一密封组件与泵轴之间设置了一个非能动停车密封装置。

请参阅图5，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置30安装在核反应堆冷却剂泵第一密封组件15的密封插入件154内壁所开设的收容槽中，其在正常工况下与泵轴18之间存在间隙，使反应堆冷却剂可以沿泵轴18自由流动，但在全厂断电工况下将紧贴泵轴18而实现第一密封组件15与泵轴18之间的周向密封。

请参阅图6至图7，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置30包括密封环40、贴合在密封环40一个端面的开口环50和嵌入开口环50的可熔间隔块60。

密封环40为闭合圆环，其内径略大于泵轴18的外径，因此在正常状态下环绕在泵轴18外时，可与泵轴18保留一定间隙而允许反应堆冷却剂在密封环40与泵轴18之间自由流动。密封环40的材质为高分子聚合物，如PEEK(PEEK是polyetheretherketone的简称，中文名称为聚醚醚酮)或是含有玻璃纤维或碳纤维的PEEK，因此可以耐受300摄氏度的高温。密封环40的材料性质使其在常温下保持刚性，在高温状态下则会略微变软。

开口环50为具有一个纵向开口52的金属环，其具有一定的弹性变形能力，因此在打开时具有趋向闭合以抱紧泵轴18的预紧力。开口环50闭合时的内径小于密封环40的直径，与泵轴18的外径相适配。

可熔间隔块60是嵌合在开口环50的纵向开口52中的一小段弧段，其横截面与开口环50横截面相同，长度等于开口环50与密封环40的周长差。因此，可熔间隔块60嵌入开口环50的纵向开口52后，将与开口环50共同形成一个内径与密封环40相同的拼接环。可熔间隔块60的材质为共聚聚芳醚树脂，其可在设定温度下、经设定时间后熔化，因此在全厂断电工况下将在设定时间内被高温流体熔化而失去对开口环50的纵向开口52的支撑。

请参阅图8，在正常工况下，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置30的密封环40收容在第一密封组件15的密封插入件154内壁所开设的收容槽中，且处于刚性状态；被可熔间隔块60嵌入纵向开口52而处于打开状态的开口环50也收容在密封插入件154内壁所开设的收容槽中，且贴在密封环40朝向冷却剂流入方向的端面上。密封环40和开口环50均环绕在泵轴18周向并与泵轴18保持间隙32，使反应堆冷却剂泄露可以沿箭头A所示方向在非能动停车密封装置30与泵轴18之间自由流动，穿过密封插入件154而进入到第一密封泄漏管线中。

请参阅图9，在全厂断电工况下，冷却剂泵轴封注入水和冷却水同时丧失时，高温高压反应堆冷却剂沿泵轴18向上流动，当可熔间隔块60处的温度达到其熔化温度并经过一定的时间(时间为预设时间，一般为几分钟到十几分钟)后，可熔间隔块60将因产生相变挥发而失去支撑作用。此时，开口环50将在预紧力的作用下向内收缩闭合而抱紧泵轴18，实现初步的密封功能；同时，高温高压冷却剂流进密封环40的外侧区域。

请参阅图10，由于密封环40在全厂断电工况的高温下材料已经略微变软，此时外壁又受到了高温高压冷却剂的径向压力，就会在压力的驱使下向密封插入支撑件156和泵轴18两个方向形成压紧而进一步达到自密封。同时，变软的密封环40还会在泵轴18与密封插入支撑件156之间的缝隙中有微量挤出，因此能够使得密封效果达到最佳。

在改进的实施方式中，为了保证反应堆冷却剂在任何时候都可以顺利到达密封环40的外侧区域，还可以在开口环50上开设适当大小和数量的开孔。

在不同的实施方式中，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置30也可以不安装在第一密封组件15的密封插入件154上，而改为安装在第一密封组件15的密封插入支撑件156上，只要能达到限制反应堆冷却剂向环境泄漏的目的即可。

通过以上描述可知，本发明核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置通过高温下闭合的开口环50对泵轴18进行初步密封，再通过高温高压冷却剂驱动的密封环40对泵轴18进行二次密封，从而有效保证冷却剂泵静压轴封在全厂断电工况下的功能完整性，解除了对应急轴封注入系统和能动驱动装置的依赖，并且有效降低了核电厂的堆芯损坏概率；另外，由于本发明只是对第一密封组件15的密封插入件154或密封插入支撑件156的内壁进行开槽，因此对冷却剂泵的其他结构没有任何影响，也不会影响冷却剂泵在正常工况下运行时的性能。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (14)

1.一种核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：

包括密封环、开口环和可熔间隔块；

所述密封环为闭合圆环；开口环具有弹性变形能力，其上开设有纵向开口，可熔间隔块为横截面与开口环横截面相同的弧段，可熔间隔块嵌入开口环的纵向开口中，与被撑开为开启状态的开口环共同形成一个拼接环，拼接环贴合于密封环朝向冷却剂流入方向的端面；

在正常工况下，密封环和拼接环均环绕在核反应堆冷却剂泵泵轴的周向并与泵轴保持间隙，使反应堆冷却剂可以在非能动停车密封装置与泵轴之间自由流动；

在全厂断电工况下，可熔间隔块将熔化失效，使开口环在自身预紧力作用下闭合而抱紧泵轴，实现初步密封，并使得高温高压冷却剂能够流进密封环的外侧区域；密封环在冷却剂的高温作用下略微变软，并在冷却剂对其外侧施加的高压驱动下压紧泵轴而对泵轴进行二次密封，密封环与开口环一起阻止反应堆冷却剂沿泵轴的流动，从而实现最佳密封；

所述开口环上开设有允许冷却剂穿过而到达密封环外侧区域的开孔；在全厂断电工况下，略微变软的密封环在冷却剂驱动下向泵轴方向压紧的同时，还在冷却剂驱动下沿远离开口环的方向，向相邻元件压紧。

2.根据权利要求1所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述开口环由具有弹性变形能力的材料制成，其在被可熔间隔块撑开时具有趋向闭合的预紧力。

3.根据权利要求2所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述开口环为具有纵向开口的金属环。

4.根据权利要求2所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述可熔间隔块的材质使其在预设温度下、经过预设时间后，即会产生相变而挥发，失去对开口环的支撑作用。

5.根据权利要求1所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述密封环由常温下保持刚性、高温下略微变软的高分子聚合物制成。

6.根据权利要求5所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述密封环的材质为PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

7.根据权利要求5所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述密封环的材质为含有玻璃纤维的PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

8.根据权利要求5所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述密封环的材质为含有碳纤维的PEEK，其能够耐受300摄氏度的高温。

9.根据权利要求1所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述密封环的内径略大于泵轴的外径，可熔间隔块和开口环共同形成的拼接环的内径与密封环内径相同。

10.根据权利要求1所述的核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置，其特征在于：所述可熔间隔块的长度等于开口环与密封环的周长差。

11.一种核反应堆冷却剂泵，其包括从上至下依次设置的电动机、静压轴封组件和水力部件，以及一根贯穿整个冷却剂泵中心的泵轴；所述静压轴封组件包括依次设置在冷却剂泵水力部件和电动机之间的多个密封组件，这些密封组件均设置在泵轴的周向；其特征在于：所述多个密封组件中的至少一个与泵轴之间设有权利要求1至10中任一项所述的非能动停车密封装置，从而在全厂断电工况下通过非能动停车密封装置实现该密封组件与泵轴的密封。

12.根据权利要求11所述的核反应堆冷却剂泵，其特征在于：所述静压轴封组件中最靠近水力部件的一个密封组件为第一密封组件，核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置安装在静压轴封组件的第一密封组件上。

13.根据权利要求12所述的核反应堆冷却剂泵，其特征在于：所述核反应堆冷却剂泵静压轴封组件的第一密封组件包括动环、静环、密封插入件和密封插入支撑件，核反应堆冷却剂泵非能动停车密封装置安装在密封插入件内壁所开设的收容槽中，或是安装在密封插入支撑件内壁所开设的收容槽中；在全厂断电工况下，略微变软的密封环在冷却剂驱动下向泵轴方向压紧的同时，还在冷却剂驱动下沿远离开口环的方向，向密封插入件或密封插入支撑件压紧，并在泵轴与密封插入支撑件或密封插入件之间的缝隙中有微量挤出。

14.根据权利要求11所述的核反应堆冷却剂泵，其特征在于：所述静压轴封组件采用三级轴封，包括依次设置在水力部件和电动机之间的第一密封组件、第二密封组件和第三密封组件；其中，第一密封组件是平衡型流体静压型可控泄漏密封，第二密封组件是压力平衡型端面密封，第三密封组件是堰式双端面密封。