CN105408962A - 用于轴密封系统的填料密封件的活性表面 - Google Patents

用于轴密封系统的填料密封件的活性表面 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旨在确保在主回路(8)和大气(9)之间密封的用于密封核反应堆的主电机驱动泵单元的轴(7)的系统(4)的填料密封件(1)，所述填料密封件(1)包括一个旋转活性表面(10)和一个浮动活性表面(11)，其特征在于，该浮动活性表面(11)和/或旋转活性表面(10)的面(12)覆盖有保护层，该保护层由一种具有大于30mJ/m2的表面能和小于15mJ/m2的电子给体组分的材料制成。

Description

用于轴密封系统的填料密封件的活性表面
技术领域
本发明的领域是压水核反应堆(EPR)的主电机驱动泵单元的领域。更确切地，本发明涉及主电机驱动泵单元的主机械填料密封件的活性表面，也称为活性面。
背景技术
在核反应堆中，主泵在压水反应堆的主回路中产生水循环。一种轴动态密封系统确保了在该主回路和大气之间的密封。该轴密封系统是一种受控的泄漏系统。它包括三个串联布置的密封件。每个密封件都包括确保主密封的两个活性表面。一个活性表面，被称为旋转活性表面，安装在一个被连接到该轴的旋转组件中，另一活性表面，被称为浮动活性表面，被安装在一个非旋转组件中，但其自由地被轴向地设置以遵循该轴的可能的轴向位移。
密封件n°1确保了在主回路和大气之间的最大部分压降。它是流体静力学类型的，具有10μm数量级的厚度的水膜。确保主密封的活性表面的面的特定几何形状能够在旋转中在关闭时自动调整它们的间距，该间距仅取决于密封件的ΔP。活性表面最初由氧化铝制成，但它们越来越经常由更耐磨的氮化硅制成。
密封件n°1以受控的泄漏率操作，由于在其活性面上加工的特定轮廓，在操作中以600l/h的数量级。这可以从155巴的压力切换到约为2巴的压力。
然而，在现有技术的密封件n°1中，需要注意到的是，氧化铁的严重沉积污染了活性面并修改了这些面的梯度，导致对泄漏率的改变。
GregoryLefèvre，LjiljanaS.ZivkovicandAnneJaubertie的文献“赤铁矿粒子在核反应堆冷却泵-实验室实验的氧化铝密封面板上的沉积和工业反馈”，Hem.Ind.，2012年，解释了该污染现象是由于一种两个步骤的现象：
-粒子通过流体动力学的、电泳的和热泳的现象从所述溶液朝所述活性表面运输；
-然后它们通过物理化学相互作用粘附到密封面上。在现有技术中，这些交互被视为实质上是由于赤铁矿粒子带正电，而活性表面的面带负电的事实。
为了克服该问题，文献US7287756提出了在活性表面的面上增加催化剂。该催化剂优选为以下组分或以下组分的混合物：铼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金。从文献US7287756中，铁作为FeOOH(针铁矿)和Fe2+离子存在于溶液中。针铁矿将沉积在填料密封件的面上。同时，Fe2+离子将由分子氧氧化成将沉淀和强化该沉积物的Fe3+离子。该沉积物然后将发展成赤铁矿(Fe2O3)。催化剂的使用将可以在其中分离二氢，导致减少化学势，以防止Fe2+离子氧化和减少转化到Fe2+离子的当前Fe3+，因此防止了发生氧化物沉积。
申请人已经确定了用于在活性表面的面上形成氧化物沉积物的另一机构。因此，我们提出一种考虑该形成机构的解决方案。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种有效的解决方案，以防止核反应堆的主电机驱动泵单元的轴密封系统的密封件n°1的活性表面的污染，克服了现有技术的缺点。
为此，本发明旨在用涂层涵盖密封件n°1的活性表面的面，该图层阻止了Fe2+离子吸附在该活性表面的面上。
事实上，申请人的实验已显示出，Fe2+和赤铁矿粒子的同时出现对于形成沉积物是必需的。该沉积物仅在Fe2+为热力学稳定形式的Pourbaix图的场中实施，该动力学导致了赤铁矿粒子仍然存在。此外，这表明了，沉积发生在低能面上，该低能面为不良的电子给体。例如在全氟烷氧基(PFA)上观察到，其具有小于20mJ/m2的总表面能以及小于5mJ/m2的电子给体组分。沉积也发生在高能表面上，该高能表面为强电子给体组分，例如具有50mJ/m2的总表面能和56mJ/m2的电子给体组分的氮化硅。然而，沉积以低电子给体组分(3mJ/m2)强烈地延迟在高能微晶金刚石面(50mJ/m2)上。
更确切地，本发明提供了一种用于旨在确保在主回路和大气之间密封的核反应堆的主电机驱动泵单元的轴密封系统的活性表面，该活性表面的一个面覆盖有保护层，该保护层由一种具有大于30mJ/m2的表面能和小于15mJ/m2的电子给体组分的材料制成。
用一种具有大于30mJ/m2的表面能和小于15mJ/m2的电子给体组分的材料覆盖该活性表面的面可防止Fe2+离子吸附在该活性表面的面上。事实上，与现有技术的文献中描述的连接现象不同，赤铁矿粒子不直接地连接到该活性表面的面上，但它们连接到本身被吸附在该活性表面的面上的Fe2+离子。事实上，Fe2+铁离子被该活性表面的负电子给体面所吸引。Fe2+是一种路易斯酸，它与出现在该活性表面的面上的氧气基反应，并且进而能够与具有很强电子给体组分的胶体或微粒Fe2O3反应。Fe2+离子然后可以吸附在赤铁矿粒子的面上并且该反应继续作为链式反应，其导致该活性表面被污染。因此，为了防止该活性表面被污染，申请人提出通过用一个保护层覆盖该面，Fe2+离子应被阻止吸附在该活性表面的面上。
根据本发明的活性表面也可以具有单独或根据任何技术可能的组合所采取的一个或多个以下特征。
该活性表面可以是一种浮动活动表面或旋转活动表面。
被选择用于该保护层的材料优选地具有大于35mJ/m2的表面能，并且更优选地大于37mJ/m2，甚至更有利地大于50mJ/m2。实际上，所选材料的表面能越大，该面越将会与结合水的膜水合，该膜屏蔽Fe2+离子的面并防止其吸附。被选择用于该保护层的材料具有一种优选地小于10mJ/m2以及更优选地少于5mJ/m2的电子给体组分，从而限制与Fe2+离子的相互作用和防止其吸附。该电子给体组分或基本组分由带有三种液体的接触角所确定：双极、单极和非极液体。
根据一个实施例，被选择用于该保护层的材料是具有50mJ/m2的表面能和3mJ/cm2的低电子给体组分的纳米或微晶体钻石。
根据另一实施例，被选择用于该保护层的材料是具有44mJ/m2的总表面能和0.3mJ/cm2的电子给体组分的氮化钛(TiN)。
根据另一实施例，被选择用于该保护层的材料是具有41mJ/m2的总表面能和0.4mJ/cm2的电子给体组分的氮化铬(CrN)。
根据另一实施例，被选择用于该保护层的材料是具有33mJ/m2的表面能和9mJ/cm2的电子给体组分的化学镍(Ni)。
根据另一实施例，被选择用于该保护层的材料是碳化硅(SiC)。事实上，作为其组成物的函数，该材料可以具有足够高的表面能以防止Fe2+离子被该活性表面的面所吸引并且具有足够低的电子给体组分以限制在Fe2+离子和该面之间的相互作用。
本发明不仅限于所提到的层。
有利地，该保护层具有一个大于100nm从而连续，以及小于100μm从而减少裂纹风险并在断开的情况下限制干扰的厚度。该层优选地具有一个在1和5μm之间的厚度。
有利地，该活性表面由氮化硅制成。
旨在接触水膜的每个活性表面的面优选地完全覆盖有该保护层。
根据一个实施例，该活性表面可进一步覆盖有一个设置在该保护层和该活性表面的面之间的连接层。该连接层允许改进该保护层的连接。该连接层的组分取决于该保护层的组分。
根据一个实施例，该活性表面的面，以及更精确地该保护层的，进一步通过凸块阵列被微结构化或纳米结构化，该凸块可可以是孔或支柱。
每个孔都具有在10nm和5μm之间的侧面尺寸，以及在10nm到5μm的深度。在两个连续孔之间的距离是在10nm和5μm之间。
每个支柱都具有在10nm和5μm之间的尺寸。长宽比，也就是高度/侧面尺寸比，必须优选地小于2并且更优选地小于1，从而为了避免侵蚀现象。在两个连续支柱之间的距离是在10nm和5μm之间。
通过在Fe2+离子仍被连接到该保护层的面的情况下限制连接点，该微型器或纳米结构化可以防止Fe2O3粒子连接到Fe2+离子。
根据一个实施例，该至少一个活性表面的面，并且更精确地该保护层的面，可以进一步具有分层结构。在500nm和5μm之间以及优选地在1μm和和2μm之间侧面尺寸的微结构，优选地可覆盖有在10nm和200nm之间以及优选地在50nm和100nm之间尺寸的纳米结构。在离子仍会被连接到该保护层的面的情况下，该双重结构化还能够减少Fe2O3粒子的连接点。
本发明的另一方面也涉及一种填料密封件，包括根据本发明第一方面的至少一个活性表面。
附图说明
在阅读以下的详细描述后，参考附图，本发明的进一步特征和优点将会显而易见，该附图示出了：
图1是根据本发明一个实施例的一种轴密封系统的横截面视图；
图2是根据本发明一个实施例的一种密封件n°1的示意图；
图3是一种密封件活性表面的污染现象的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的一种密封件n°1的活性表面的横截面示意图；
图5是根据本发明另一实施例的一种密封件n°1的活性表面的横截面示意图。
为了清晰起见，相同或相似元件在所有附图中用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1表示一种用于核反应堆的主电机驱动泵单元的轴4的机械填料密封件的系统。该轴密封系统包括在图中用1表示的密封件n°1，在图中用2表示的密封件n°2，在图中用3表示的密封件n°3。每个密封件1、2、3均包括一个附接到轴7上的旋转活性表面以及一个能够遵循轴7的轴向位移但不旋转的浮动活性表面。
在图2中将更精确地表示密封件n°1。密封件n°1确保在主回路8和大气9之间的最大部分压降。密封件n°1是流体静力学类型的，具有10μm数量级厚度的水膜。密封件n°1包括一个被附接到轴7上的旋转活性表面10以及一个能够遵循轴7的轴向位移的浮动活性表面11。密封件n°1的泄漏速率由浮动活性表面11的双梯度或由旋转活性表面10和浮动活性表面11的梯度所确定。所述活性表面由氮化硅Si3N4制成。
在图3中解释了在缺乏本发明特征时活性表面10、11的污染过程。水在活性表面10、11之间循环。该水使在活性表面的面上优选吸附的Fe2+离子变成Si3N4。Fe2+是一种路易斯酸，它与出现在该活性表面的面上的氧基团反应，并且进而能够与具有很强电子给体组分的胶体的或微粒的Fe2O3反应。Fe2+离子然后可以吸附在赤铁矿粒子的面上并且该反应作为链式反应而持续进行，其导致该活性表面被污染。
为了避免该污染过程，参考图4和图5，活性表面10、11中的至少一个的面12覆盖有保护层13。该保护层13由一种其上Fe2+离子如果有的话也很少吸附的材料制成。为此，该保护层13由一种具有大于30mJ/m2的表面能和小于15mJ/m2的电子给体组分的材料制成。
该保护层因此可由纳米或微晶体钻石制成，其具有50mJ/m2的表面能和3mJ/m2的低电子给体组分。
在现实条件中模拟沉积的一种模型上已经测试了一组覆盖有以2μm厚度的微晶金刚石形式的碳层的活性表面。对于氮化硅的现有技术未加工活性表面，在250h后发生氧化铁的沉积。当该活性表面覆盖有以2μm厚度的微晶金刚石形式的碳层时，该沉积仅在750h后出现。在这种情况下，相对于在250h过程中测试的氮化硅的活性表面，该沉积在视觉上剧烈地减少。
该保护层也可由一种具有44mJ/m2的总表面能和0.3mJ/cm2的电子给体组分的氮化钛制成。
该保护层还可以由一种具有41mJ/m2的总表面能和0.4mJ/cm2的电子给体组分的氮化铬制成。
该保护层也可由一种具有33mJ/m2的表面能和9mJ/m2的电子给体组分的化学镍制成。当该保护层由镍制成时，在该活性表面的面与该保护层之间优选设置一连接层，以改进该保护层的强度并启动镍沉积物的自动催化反应。该连接层优选由铂或钯制成。
该保护层也可由碳化硅(SiC)制成。碳化硅可具有可变的表面能，该表面能为其成分的函数，使得选择该碳化硅化合物，以具有大于30mJ/m2的表面能和足够低的电子给体组分。
该材料并不局限于先前提到的材料。
该保护层优选具有大于100nm的厚度从而连续，以及小于100μm的厚度，以减少裂纹的风险，并在断开的情况下限制干扰。沉积物优选具有在1μm与5μm之间的厚度。
此外，该保护层可通过一排孔或柱被微结构化或纳结构化。
每个孔都具有在10nm与5μm之间的侧面尺寸，以及在10nm与5μm之间的深度。两个连续孔之间的距离在10nm和5μm之间。
每个柱的侧面尺寸在10nm与5μm之间。纵横比(高度/侧尺寸比)优选地必须小于2，更优选地小于1，以避免侵蚀现象。两个连续支柱之间的距离在10nm与5μm之间。通过在Fe2+离子仍会被连接到该保护层的面的情况下限制连接点，该微结构或纳结构可以防止Fe2O3颗粒连接到Fe2+离子。
通过使用微颗粒或纳颗粒的掩模而进行的光刻技术，或者甚至通过嵌段共聚物或通过任何其他已知的微结构或纳结构方法，可实施该保护层的微结构化或者纳结构化。
通过结合微结构和纳结构，该结构化可以是分层的。
在纳结构或微结构的情况下，该保护层优选被放置就位然后被构造。
当然，本发明不限于参考附图所描述的实施例并且可考虑替代方案，而不背离本发明的范围。特别地，可以使用除在详细描述中所提到的这些之外的其他材料。

Claims (8)

1.一种旨在确保在主回路(8)与大气(9)之间的密封的用于密封核反应堆的主电机驱动泵单元的轴(7)的系统(4)的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其特征在于，所述活性表面的面(12)覆盖有保护层(13)，所述保护层由一种具有大于30mJ/m2的表面能和小于15mJ/m2的电子给体组分的材料制成。
2.根据权利要求1所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述保护层(13)的材料具有大于35mJ/m2，优选大于37mJ/m2，更优选大于50mJ/m2的表面能。
3.根据权利要求1或2所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述保护层(13)的材料具有小于10mJ/m2，更优选小于5mJ/m2的电子给体组分。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述保护层(13)由以下材料中的一种制成：碳化硅、氮化钛、氮化铬、镍、微水晶钻石或纳水晶钻石。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述保护层(13)的厚度(e)在100nm与100μm之间。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述活性表面进一步覆盖有一连接层，该连接层设置在所述保护层(13)与所述活性表面(10、11)的面(12)之间。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的填料密封件(1)的活性表面(10、11)，其中，所述活性表面中的至少一个的面(12)通过一排凸起而被进一步微结构化或纳结构化，每个凸起的侧面尺寸在10nm与5μm之间，高度在10nm与5μm之间，两个连续凸起之间的距离在10nm与5μm之间。
8.一种填料密封件(1)，包括至少一个根据前述权利要求中任何一项所述的活性表面(10、11)。
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