CN111504577A - 一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置及其方法 - Google Patents

一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置及其方法，包括相态窥镜探头、背压调节装置和图像处理模块：相态窥镜探头用于采集三级密封泄漏侧的相态图像；背压调节装置用于调节三级密封泄漏侧的压力；所述图像处理模块与所述相态窥镜探头通信连接，用于对接收的相态图像进行边沿化处理。本发明采用微型的相态窥镜探头获取三级低压泄漏流的相态图像，经过Sobel边沿检测算法来求取图像边沿化后的均方差，实现了基于内窥图像的主泵轴封低压泄漏流相态的在线监测。调节泄漏背压来改善浮动密封的润滑状态，并开展了多水平背压试验，得到三级密封泄漏侧的压力与相态图像的清晰度之间的关系，可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障。

Description

一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种可用于监测核电站主泵机械密封工作状态和性能的装置，尤其是涉及一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置及其方法。
背景技术
核电站反应堆冷却剂主泵(RCP, Reactor Coolant Pump)轴封主要分为流体静压型轴封和流体动压型轴封两大类，两类轴封均由三级密封串联布置组成。动压轴封的三级结构相同，每级在其中一个密封面上加工有连续微波形槽，在运转时通过流体剪切产生流体动压效应来维持数微米间隙并控制泄漏。
国内某1080MWe核电机组RCP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5.3MPa降至4.5MPa。对三个位号主泵轴封解体后观察到三级密封静环导套及三级轴套外表面均有发黄发蓝现象，静环组件O圈均有蛇形弯曲的痕迹。因此初步怀疑该机械密封的性能劣化是由于浮动O圈摩擦力增加导致。主泵机械密封的第三级泄漏侧泄漏压力为大气压，轴套附面层温度较高，通过模拟仿真，该区温度会达到123℃左右。介质泄漏至此，由于压力降低，温度升高，容易使得三级密封的导环和静环座之间出现卡滞，造成主泵机械密封失压、泄漏量增加等故障。
主泵机械密封第三级低压泄漏没有足够背压，旋转件与静止件之间的最小间隙仅有2mm，流体剪切作用较强。主泵泵腔的温度高达320℃，主泵泵轴为实心不锈钢，是良好的传热导体，因此在主泵轴封三级密封低压泄漏区域存在123℃的高温，造成低压泄漏水较容易发生气化，并上升至泄漏通道上部后冷凝成液态。三级泄漏介质富氧。由于介质为硼酸溶液，水中的离子在剪切作用下带电。综合以上原因，第三级密封低压泄漏侧长期工作于：高温、富氧、流体剪切、电化学、气液两相的综合作用下，使得浮动O圈卡滞，最终造成密封性能降低，威胁反应堆正常运行。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，具有可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障的优点。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：
一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，包括相态窥镜探头、背压调节装置和图像处理模块：所述相态窥镜探头用于采集三级密封泄漏侧的相态图像；所述背压调节装置用于调节三级密封泄漏侧的压力；所述图像处理模块与所述相态窥镜探头通信连接，用于对接收的相态图像进行边沿化处理。
通过采用上述技术方案，采用微型的相态窥镜探头获取三级低压泄漏流的相态图像，经过Sobel边沿检测算法来求取图像边沿化后的均方差，实现了基于内窥图像的主泵轴封低压泄漏流相态的在线监测。通过调节泄漏背压来改善浮动密封的润滑状态，并开展了多水平背压试验，从而得到三级密封泄漏侧的压力与相态图像的清晰度之间的关系。便于更好的观察三级轴套与静环座接触面的颜色情况，从而得出三级密封的导套和静环座之间是否出现卡滞，这样可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述背压调节装置包括背部压力高位水箱和用于调节背部压力高位水箱内水位高度的调节组件，所述背部压力高位水箱与三级密封泄漏侧相连通。
通过采用上述技术方案，调节组件调节背部压力高位水箱内水位的高度，提高对三级密封泄漏侧的背压，增加三级密封O形圈的润滑，减小三级轴套表面的氧化，提高核主泵机械的密封性能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述调节组件包括开设于所述背部压力高位水箱上的多个的泄压孔，多个所述泄压孔沿所述背部压力高位水箱的高度方向设置，所述泄压孔处可拆卸连接有孔盖。
通过采用上述技术方案，打开不同高度的泄压孔，就能够改变背部压力高位水箱内的水位高度，结构简单。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：包括两个飞溅探头，两个所述飞溅探头分别位于三级密封顶端的不同半径处，一个所述飞溅探头指向三级轴套与三级静环座的接触面。
通过采用上述技术方案，两个飞溅探头监测介质飞溅情况，介质在三级密封处气液两相状态；一个飞溅探头监测轴与三级静环座之间的飞溅图像，另一个飞溅探头监测介质喷射出的图像。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：包括开设于三级静环座和三级导环的通孔，所述通孔供所述相态窥镜探头的电缆穿过。
通过采用上述技术方案，在三级静环座和三级导环上开设通孔，便于相态窥镜探头的电缆安装，且该电缆不会对核主泵机械的运行造成影响。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述通孔内设置有半硬管，所述相态窥镜探头的电缆位于所述半硬管内。
通过采用上述技术方案，半硬管能够对相态窥镜探头的电缆进行保护，减少该电缆出现磨损的情况。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：
一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，包括上述试验装置，步骤如下：
S1、通过试验台驱动部件模拟核主泵机械密封的运行情况；
S2、调节三级轴封低压泄漏处的背压；
S3、采用微型内窥装置在线获取三级低压泄漏流在不同背压下的相态图像；
S4、根据Sobel边沿检测算法对各个相态图像进行边沿化处理，以量化三级密封泄漏侧的压力与内部流态紊乱程度之间的关系。
通过采用上述技术方案，采用微型的相态窥镜探头获取三级低压泄漏流的相态图像，经过Sobel边沿检测算法来求取图像边沿化后的均方差，实现了基于内窥图像的主泵轴封低压泄漏流相态的在线监测。通过调节泄漏背压来改善浮动密封的润滑状态，并开展了多水平背压试验，从而得到三级密封泄漏侧的压力与相态图像的清晰度之间的关系。便于更好的观察三级轴套与静环座接触面的颜色情况，从而得出三级密封的导航和静环座之间是否出现卡滞，这样可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述Sobel边沿检测算法的定义为：
Figure 50793DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 436775DEST_PATH_IMAGE002
；
所获取的窥镜图像采用320×240像素，预设该图像像素值为函数
Figure 200200DEST_PATH_IMAGE003
，每个像素点沿X方向一阶导数为
Figure 64251DEST_PATH_IMAGE004
，沿Y方向一阶导数为
Figure 347465DEST_PATH_IMAGE005
，则：
Figure 638769DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 623911DEST_PATH_IMAGE007
；
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如下式所示：
Figure 291653DEST_PATH_IMAGE008
。
通过采用上述技术方案，两个不同比较阈值处理的Sobel边沿检测结果矩阵，求取图像矩阵差值作为最终的泄漏流态图像清晰度判别值，这样就能够得出最佳的三级密封泄漏侧的压力。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在步骤S2中，所述三级密封泄漏侧外接有背部压力高位水箱，三级低压泄漏侧的背压大小通过所述背部压力高位水箱的水位高度来调节。
通过采用上述技术方案，调节背部压力高位水箱内水位的高度，到达对三级密封泄漏侧的压力调节目的，调节便捷。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：根据动压轴封的自身因素确定所述背部压力高位水箱的最高水位，所述自身因素包括停车密封限位开关杆的椭圆孔高度。
通过采用上述技术方案，泄漏介质不会从停车密封的孔洞溢出，从而使背部压力高位水箱能够更好的对三级密封泄漏侧提供压力支持。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.采用微型的相态窥镜探头获取三级低压泄漏流的相态图像，经过Sobel边沿检测算法来求取图像边沿化后的均方差，实现了基于内窥图像的主泵轴封低压泄漏流相态的在线监测。通过调节泄漏背压来改善浮动密封的润滑状态，并开展了多水平背压试验，从而得到三级密封泄漏侧的压力与相态图像的清晰度之间的关系。便于更好的观察三级轴套与静环座接触面的颜色情况，从而得出三级密封的导套和静环座之间是否出现卡滞，这样可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障；
2.打开不同高度的泄压孔，就能够改变背部压力高位水箱内的水位高度，到达对三级密封泄漏侧的压力调节目的。
附图说明
图1是本发明实施例的部分结构示意图；
图2是本发明实施例中背压调节装置的结构示意图。
图中，1、相态窥镜探头；21、背部压力高位水箱；22、泄压孔；23、孔盖；3、飞溅探头；4、通孔；5、半硬管；6、三级导环；7、三级静环座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，参照图1和图2，包括相态窥镜探头1、背压调节装置和图像处理模块：相态窥镜探头1用于采集三级密封泄漏侧的相态图像；背压调节装置用于调节三级密封泄漏侧的压力；图像处理模块与相态窥镜探头1通信连接，用于对接收的相态图像进行边沿化处理。本发明中的相态窥镜探头1采用的是Bosch工业内窥镜，直径为2.5mm，且相态窥镜探头1朝轴偏向5度左右。
采用微型的相态窥镜探头1获取三级低压泄漏流的相态图像，经过Sobel边沿检测算法来求取图像边沿化后的均方差，实现了基于内窥图像的主泵轴封低压泄漏流相态的在线监测。通过调节泄漏背压来改善浮动密封的润滑状态，并开展了多水平背压试验，从而得到三级密封泄漏侧的压力与相态图像的清晰度之间的关系。便于更好的观察三级轴套与三级静环座7接触面的颜色情况，从而得出三级密封的导套和静环座之间是否出现卡滞，这样可用于在主泵机械性能试验阶段排除故障。
背压调节装置包括背部压力高位水箱21和用于调节背部压力高位水箱21内水位高度的调节组件，背部压力高位水箱21与三级密封泄漏侧相连通，其中，背部压力高位水箱21采用软管连接至三级密封低压泄漏口的至高位；调节组件调节背部压力高位水箱21内水位的高度，到达对三级密封泄漏侧的压力调节目的，调节便捷。调节组件包括开设于背部压力高位水箱21上的多个的泄压孔22，多个泄压孔22沿背部压力高位水箱21的高度方向设置，泄压孔22处可拆卸连接有孔盖23；打开不同高度的泄压孔22，就能够改变背部压力高位水箱21内的水位高度，结构简单。本发明的调节组件也可以采用调节背部压力高位水箱21的高度来实现，比如在背部压力高位水箱21的下方安装升降平台，升降平台为现有技术中液压升降平台和电动升降平台中的一种。
包括两个飞溅探头3，两个飞溅探头3分别位于三级密封顶端的不同半径处，一个飞溅探头3指向三级轴套与三级静环座7的接触面；两个飞溅探头3监测介质飞溅情况，介质在三级密封处气液两相状态；一个飞溅探头3监测轴与三级静环座7之间的飞溅图像，另一个飞溅探头3监测介质喷射出的图像。包括开设于三级静环座7和三级导环6的通孔4，通孔4供相态窥镜探头1的电缆穿过，其中，三级静环座7到达三级密封端面内径侧；在三级静环座7和三级导环6上开设通孔4，便于相态窥镜探头1的电缆安装，且该电缆不会对核主泵机械的运行造成影响。通孔4内安装有半硬管5，相态窥镜探头1的电缆位于半硬管5内；半硬管5能够对相态窥镜探头1的电缆进行保护，减少该电缆出现磨损的情况。本发明中的飞溅探头3采用的是ADM-5工业内窥镜，直径为5.3mm。
流体动压型主泵轴封的结构图如图1所示。动环为石墨环，为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有连续正弦波形槽。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，有一定轴向和径向位移追随功能。本发明通过实例可观察到，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。引起该现象发生的原因应从多个角度考虑，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，首先应对主泵轴系温度分布进行分析。
一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，包括上述试验装置，步骤如下：
S1、通过试验台驱动部件模拟核主泵机械密封的运行情况；
S2、调节三级轴封低压泄漏处的背压；
S3、采用微型内窥装置在线获取三级低压泄漏流在不同背压下的相态图像；
S4、根据Sobel边沿检测算法对各个相态图像进行边沿化处理，以量化三级密封泄漏侧的压力与内部流态紊乱程度之间的关系。
Sobel边沿检测算法的定义为：
Figure 694953DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 157158DEST_PATH_IMAGE002
；
所获取的窥镜图像采用320×240像素，预设该图像像素值为函数
Figure 380329DEST_PATH_IMAGE003
，每个像素点沿X方向一阶导数为
Figure 850098DEST_PATH_IMAGE004
，沿Y方向一阶导数为
Figure 842325DEST_PATH_IMAGE005
，则：
Figure 6590DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 982637DEST_PATH_IMAGE007
；
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如下式所示：
Figure 726602DEST_PATH_IMAGE008
。
两个不同比较阈值处理的Sobel边沿检测结果矩阵，求取图像矩阵差值作为最终的泄漏流态图像清晰度判别值，这样就能够得出最佳的三级密封泄漏侧的压力。在步骤S2中，三级密封泄漏侧外接有背部压力高位水箱21，背压的大小通过背部压力高位水箱21的水位高度来调节；调节背部压力高位水箱21内水位的高度，到达对三级密封泄漏侧的压力调节目的。根据动压轴封的自身因素确定所述背部压力高位水箱21的最高水位，自身因素包括停车密封限位开关杆的椭圆孔高度；泄漏介质不会从停车密封的孔洞溢出，从而使背部压力高位水箱21能够更好的对三级密封泄漏侧提供压力支持。
本发明的方法在实例中，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，1.8m高度时效果最好，1.55m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，背部压力高位水箱21的最高水位不能超过停车密封限位开关杆的椭圆孔高度。根据试验的数据分析，背部压力高位水箱21最高设计水位为1.55m，即比原低压泄漏水位高25cm，此时相态图片清晰度提高27%。
以某1080MWe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，计算仿真了泵轴系在正常工作状态下温度分布。结果表明，在轴封段泵轴温度在89℃~100℃，在第三级轴封段，轴金属壁面的最高温度为129℃。以窥镜图像处理为基础的轴封三级泄漏流场流态监测方法。以Sobel算子为核心的图像边沿侦测算法被用于所开发的Prometheus重要旋转设备健康状态在线监测系统。试验通过在三级低压泄漏管线上增设背部压力高位水箱21来调整低压泄漏流背压，通过边沿图像均方差值可以发现，该方法能区分三级低压泄漏流场的状态。试验结果表明，通过增设背部压力高位水箱21抬高疏排水位，的确起到了降低三级低压泄漏流空穴产生的程度。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，包括相态窥镜探头(1)、背压调节装置和图像处理模块：所述相态窥镜探头(1)用于采集三级密封泄漏侧的相态图像；所述背压调节装置用于调节三级密封泄漏侧的压力；所述图像处理模块与所述相态窥镜探头(1)通信连接，用于对接收的相态图像进行边沿化处理。
2.根据权利要求1所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，所述背压调节装置包括背部压力高位水箱(21)和用于调节背部压力高位水箱(21)内水位高度的调节组件，所述背部压力高位水箱(21)与三级密封泄漏侧相连通。
3.根据权利要求2所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，所述调节组件包括开设于所述背部压力高位水箱(21)上的多个的泄压孔(22)，多个所述泄压孔(22)沿所述背部压力高位水箱(21)的高度方向设置，所述泄压孔(22)处可拆卸连接有孔盖(23)。
4.根据权利要求1所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，包括两个飞溅探头(3)，两个所述飞溅探头(3)分别位于三级密封顶端的不同半径处，一个所述飞溅探头(3)指向三级轴套与三级静环座(7)的接触面。
5.根据权利要求1所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，包括开设于三级静环座(7)和三级导环(6)的通孔(4)，所述通孔(4)供所述相态窥镜探头(1)的电缆穿过。
6.根据权利要求5所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验装置，其特征在于，所述通孔(4)内设置有半硬管(5)，所述相态窥镜探头(1)的电缆位于所述半硬管(5)内。
7.一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，其特征在于，包括如权利要求1-6所述的试验装置，步骤如下：
S1、通过试验台驱动部件模拟核主泵机械密封的运行情况；
S2、调节三级轴封低压泄漏处的背压；
S3、采用微型内窥装置在线获取三级低压泄漏流在不同背压下的相态图像；
S4、根据Sobel边沿检测算法对各个相态图像进行边沿化处理，以量化三级密封泄漏侧的压力与内部流态紊乱程度之间的关系。
8.根据权利要求7所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，其特征在于，所述Sobel边沿检测算法的定义为：
Figure 483461DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 287469DEST_PATH_IMAGE002
；
所获取的窥镜图像采用320×240像素，预设该图像像素值为函数
Figure 734499DEST_PATH_IMAGE003
，每个像素点沿X方向一阶导数为
Figure 547734DEST_PATH_IMAGE004
，沿Y方向一阶导数为
Figure 514553DEST_PATH_IMAGE005
，则：
Figure 20621DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 440101DEST_PATH_IMAGE007
；
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如下式所示：
Figure 43645DEST_PATH_IMAGE008
。
9.根据权利要求7所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，其特征在于，在步骤S2中，所述三级密封泄漏侧外接有背部压力高位水箱(21)，三级低压泄漏侧的背压大小通过所述背部压力高位水箱(21)的水位高度来调节。
10.根据权利要求9所述的一种具有泄漏相态监控的核主泵机械密封试验方法，其特征在于，根据动压轴封的自身因素确定所述背部压力高位水箱(21)的最高水位，所述自身因素包括停车密封限位开关杆的椭圆孔高度。
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