JPS63263299A - ポンプの封止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｌ呼へＬＬ １哩へた１ 本発明は一最にポンプの軸シールに関し、より詳細には
、原子炉冷却材ポンプの軸の封止面上に、防謹層若しく
は最終コーティングとして、窒化チタンのコー・ティン
グを適用することに関する。

先玉ｊ０１１説」− 加圧水型原子力発電プラントにおいては、蒸気を発生さ
せる蒸気発生器に炉心から熱を伝えるため、原子炉冷却
系統が使用されている。そして、蒸気はタービン式発電
機を駆動するために用いられる。原子炉冷却系統は複数
の独立した冷却ループを有しており、各冷却ループは、
炉心に接続され、また、蒸気発生器と原子炉冷却材ポン
プとを含んでいる。

原子炉冷却材ポンプは、一般に、高温且つ高圧で、例え
ば約２８８℃（５５０’Ｆ）、約１７６ｋｇ／ａｍ２（
２５００ｐｓｉ）で大量の原子炉冷却材を移動させるよ
う設計された竪型単段遠心ポンプである。該ポンプは、
基本的に、下部から上部にかけて３つの普遍的部分、即
ち、水圧部分と、軸シール部分と、モータ部分とを備え
ている。下部の水圧部分は、ポンプ軸の下端に取り付け
られたインペラーを有しており、対応のループに原子炉
冷却材を圧送すべくポンプ軸はポンプハウジング内で駆
動される。上部のモータ部分は、ポンプ軸を駆動するた
めに連結されたモータを備えている。中間の軸シール部
分は、直列に配置された３つの封止装置、即ち、下部の
第１封止装置、中間の第２封止装置及び上部の第３封止
装置を有している。これらの封止装置はポンプ軸の上端
の近傍に該ポンプ軸と同軸に配置されており、これらを
共働させる目的は、原子炉冷却材が通常の運転状態時に
ポンプ軸を伝って原子炉格納容器雰囲気に漏出しないよ
うにすることにある。従来から知られているポンプ軸封
止装置の代表例は、米国特許第３，５２２，９４８号、
同第３，５２９，８３８号、同第３，６３２，１１７号
、同第３，７２０，２２２号及び同第４．２７５，８９
１号明細書に開示されている。

歴史的に、ポンプ軸のシールは、原子炉冷却材ポンプに
おいて主に問題となる領域を構成し、原子力発電プラン
トにおける利用率に相当に寄与する。このシールは冷却
系統の高圧力（約１７６ｋｇ／ａｍ’（２５００ｐｓｉ
））を安全に遮断することができなければならない、直
列に配置した３つのシールは圧力を遮断するのに用いら
れ、下部の主シールは圧力降下の大部分（約１５８ｋｇ
／ａｍ”（２２５０ｐｓｉ））を吸収する。

ここで、ポンプの主シールとは下部の第１封止装置のこ
とである。第１封止装置は、典型的には、静圧膜・支持
による漏れ制限シール（ｈｙｄｒｏｓｔａＬｉｃｆｉｌ
ｓ＋−ｒｉｄｉＢ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｌｅａｋａ
ｇｅ　５ｅａｌ）であり、その主な構成要素は、ポンプ
軸と共に回転する環状のランナ、及び、ポンプハウジン
グと共に静止状態を維持する非回転封止リングである。

下部第１封止装置の構成要素は互いに接触若しくは摺動
しないようになっているのに対し、中間及び上部の封止
装置の対応の構成要素、即ち、ランナと封止リングとは
摩擦接触シールを形成している。

従来、摩擦接触型の封止装置における構成要素であるラ
ンナは、その表面に炭化クロムの外部コーティングを有
するステンレス鋼の基体から成り、該コーティングは、
封止リングに対して摩擦接触されている。このようなコ
ーティングは満足いくものでないことは既に分かってい
る。即ち、ブリスタリングが炭化クロムで被覆されたラ
ンナに発生することが認識されている。

本発明は、原子炉内の核・水化学作用（ｎｕｃｌｅａｒ
ｗａｔｅｒ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）の原因となる腐食物
質、例、ｔ　４ｆ塩素や硫黄を含有する化合物と接する
ことによってブリスタリングが生ずる、との認識に基づ
いている。これらの腐食物質は、炭化クロムのコーティ
ングの孔を通ってステンレス鋼とコーティングとの境界
まで浸透する。そして最終的には、腐食作用が原因とな
る水素ガスの発生により、コーティングの表面に剥離若
しくはブリスタリングが生ずる。

従って、原子炉冷却材ポンプの封止装置の信頼性を向上
させるために、該封止装置における互いに摩擦接触する
面の腐食を防止する効果的な方法が必要とされている。

光ｍヌ一 本発明は、前記必要性を満足するよう設計された原子炉
冷却材ポンプの封止装置を提供する０本発明による封止
装置は、窒化チタンのカーティングが施されでいる少な
くとも１つの摩擦接触面を有しており、該コーティング
は、炭化クロムで被覆されたランナ上で従来観察された
ブリスタリング現象に対して十分な耐久性を有している
。窒化チタンは無孔性であり、ブリスタリングの間眩を
実質的に除去する。　２０００時間以上の試験を行った
結果、窒化チタンのコーティングは、硫黄汚染物質及び
塩素汚染物質を含有する原子炉冷却材に準じた水内で、
腐食に耐えることが示された。炭化クロムの爆着ガンに
よるコーティングは、同様な腐食環境において、５００
時間の後に激しいブリスタリングを生した。

窒化チタンのコーティングは、摩耗／腐食に対する耐久
性を有する実質上の硬化処理コーティングとして、或は
、爆着ガンにより付着される炭化クロム又は他の硬化処
理コーティングで処理される前に、３０４ステンレス鋼
の基体の表面に付加される不動態層として適用され得る
。即ち、窒化チタンのコーティングは、原子炉冷却材ポ
ンプにおける摩擦接触型シールを形成する封止インサー
ト及びランナに、防護層又は最終コーテイング面として
用いられる。このコーティングは、ランナの面に接する
炭素グラファイタ（ｃａｒｂｏｎ　ｇｒａｐｈｉｔａｒ
）の封止リングに対して耐摩耗性を有する面を提供する
であろう、インサートの場合においては、コーティング
は、テフロン製の２次チャンネル・シールを支持する耐
牽粍面を提供する。

従って、本発明は、軸と、加圧流体を内包するハウジン
グとを有するポンプに関するものである。

また、本発明は、ハウジング内に軸を封止可能に且つ回
転可能に取り付けるための摩擦接触型封止装置に向けら
れている。この封止装置は、（ａ）環状のランナが前記
軸と回転するように該軸の外周に取り付けられ、（ｂ）
環状の封止リングが前記ハウジングと非回転関係で該ハ
ウジングの内周に取り付けられ、（Ｃ）前記ランナ及び
前記封止リングが、それぞれ、互いに対向し且つ摩擦接
触する面を有し、（ｄ）窒化チタンのコーティングが前
記面の少なくとも一方に施されて構成されている。

より詳細に述べるならば、窒化チタンのコーティングは
一方の面の外層として施される。或はまた、窒化チタン
のコーティングは、一方の面の内部防護層として施され
、この場合、封止装置は、更に窒化チタンのコーティン
グの上に外層として付加された炭化クロムのコーティン
グを有する。

窒化チタンのコーティングは、封止リング及びランナの
一方又は両方に施される。

本発明の上記及び他の特徴や効果は、本発明の実施例を
示す図面に沿っての以下の詳細な説明を読むことによっ
て、当業者にとり明らかとなろう。

日の　　−一日 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同一または相当部分を示している。また、以下の説明
において、「前方」、「後方」、ｒ左方」、「右方」、
「上方」、「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定
的な語として理解されるべきものではない。

図面、特に第１図を参照すると、従来の原子炉の冷却系
統における複数の冷却ループ１０のうちの１つが概略的
に示されている。冷却ループ１０は、原子炉の炉心１６
に閉回路で直列に接続された蒸気発生器１２と、ポンプ
（原子炉冷却材ポンプ）１４とを備えている。蒸気発生
器１２は、その入口プレナム２０と出口プレナム２２と
連通する１次系管１８を備えている。蒸気発生器１２の
入口プレナム２０は、炉心１６の出口と流通可能に連結
されており、該出口から閉回路の流路２，４を経て高温
の冷却材を受は入れるようになっている。蒸気発生器１
２の出口プレナム２２は、閉回路の流路２６を介して原
子炉冷却材ポンプ１４の入口吸込み側と流通可能に連結
されている。原子炉連結ポンプ１４の出ロ圧九−側は、
炉心１６の入口と流通可能に連結され、該入口に閉回路
の流路２８を通って低温の冷却材を供給するようになっ
ている。

簡単に述べるならば、原子炉冷却材ポンプ１４は、冷却
材を高圧で閉回路内を圧送する。特に、炉心１６から流
出する高温の冷却材は、蒸気発生器１２の入口２０に導
かれ、そこに連通している１次系管１８に導入される。

高温の冷却材は、１次系管１８内において、従来の手段
（図示しない）を経て蒸気発生器１２に供給される冷却
給水と熱交換関係で流れる。

冷却給水は加熱され、その一部がタービン発電機（図示
しない）を駆動する際に用いるために蒸気に変換される
。そして、熱交換により温度が下がった冷却材は、原子
炉冷却材ポンプ１４を経て炉心１６に再循環される。

原子炉冷却材ポンプ１４は、多量の冷却材を、高温且つ
高圧で閉回路全体に流すことができなければならない、
熱交換後に蒸気発生器１２からポンプ１４に流れる冷却
材の温度は、熱交換前に炉心１６から蒸気発生器１２に
流れる冷却材の温度以下に実質的に冷却されるが、その
温度はまだ比較的に高く、一般的には約２８８℃（５５
０下）である、また、ポンプ１４により発生される冷却
材の圧力は約ｌフロｋｇ／ａｍ”（２５００ｐｓｉ）で
あるのが一般的である。

第２図及び第３図に示されるように、原子炉冷却材ポン
プ１４は、一般的に、一端が封止ハウジング３２で終端
しているハウジング（ポンプハウジング）３０を有して
いる。また、ポンプ１４は軸（ポンプ軸）３４を有し、
このポンプ軸３４は、ポンプハウジング３０の中心で延
びると共に、封止ハウジング３２内で封−止可能に且つ
回転可能に取り付けられている６図示されていないが、
ポンプ軸３４の下部部分はインペラーに連結され、上部
部分は高馬力の誘導型モータに連結されている。モータ
がポンプ軸３４を回転させると、ポンプハウジング３０
の内部３６のインペラーが、大気圧から約１７６ｋｇ／
　ａｍ”　（２５００ｐｓｉ）までの間の圧力で、冷却
材をポンプハウジング３０を通して循環させる。封止ハ
ウジング３２の上部部分は周囲の雰囲気により囲まれて
いるので、この加圧冷却材は、上向きの静圧荷重をポン
プ軸３４に及ぼす。

ポンプハウジング３０の内部３６と封止ハウジング３２
の外部との間に約１７６ｋｇ／ａｓ”（２５００ｐｓｉ
）の圧力境界を維持しながら、ポンプ軸３４が封止ハウ
ジング３２内で自由に回転し得るように、直列に配置さ
れた下部の第１封止装置３８、中間の第２封止装置４０
及び上部の第３封止装置４２が、ポンプハウジング３０
内に、ポンプ軸３４の回りの第２．３図に示される部分
に設けられている。圧力封止の大部分（約１５８ｋｇ／
ｃ＋ａ２（２２５０ｐｓｉ）　）を行う下部の第１封止
装置３８は非接触静圧型であり、他方、第２及び第３封
止装置４０．４２は摩擦接触・機械型である。

原子炉冷却材ポンプ１４の各封止装置３８．４０．４２
は、−ａ的に、ポンプ軸３４にこれと共に回転するよう
取り付けられた環状のランナ４４．４６．４８と、封止
ハウジング３２内に動かないように取り付けられた環状
の封止リング５０．５２．５４とをそれぞれ有している
。ランナ４４．４６．４８と封止リング５０．５２．５
４は、それぞれ、互いに対向する上向き面５６．５８．
６０と下向き面６２．６４．６６とを有している。下部
の第１封止装置３８におけるランナ４４の面５６と封止
リング５０の面６２は、通常は互いに接しておらず、そ
の代わりに、流動水膜がその間で流れている。他方、第
２及び第３の封止装置４０．４２におけるランナ４６．
４８と封止リング５２．５４の上向き面５８．６０と下
向き面６４．６６とは、通常、互いに接触し若しくは擦
り合わされている。

第１封止装置３８は通常、膜支持モードで作動するので
、封止ハウジング３２と、該ハウジング６２に回転可能
に取り付けられたポンプ軸３４との間の環状空間に漏出
する冷却材を処理するために、何等かの措置を採らなけ
ればならない、従って、封止ハウジング３２は第１漏水
ボート６８を備え、漏水ポート７０が、第２及び第３封
止装置４０．４２がら漏出する冷却材を処理する。

本発明は、摩擦接触型の第２封止装置４０又は第３封止
装置４２のいずれかに対するものである。約約０．００
５１〜０．００７６ｍｍ（０，０００２〜Ｏ，０Ｏ０３
ｉｎ、　）の範囲の厚さを有する窒化チタンから成るコ
ーティング７２が、各封止装置４０．４２におけるラン
ナ４６．４８の上向き面５８．６０の少なくとも１つに
施されるのが好適である６例えば、第２図〜第５図には
、窒化チタンのコーティング７２が、第２封止装置４０
のランナ４６の上向き面５８に形成されている溝７３内
に、硬化処理外層として施されている状態が示されてい
る。窒化チタンのコーチイングツ２は低摩擦性、高耐摩
耗性の表面を提供し、抜水化学上の腐食化合物に耐える
ことができる。ライナ４６．４８の基体材料は、３０４
．３１６．４１０タイプ等のステンレス鋼が好ましい０
図示の好適な実施例において、封止リング５２．５４の
基体材料はグラファイタ・１１４が好適であり、かかる
場合には、窒化チタンで被覆や処理されない、しかしな
がら、他の実施態様において、封止リングがライナのよ
うにステンレス鋼がら作□られている場合には、窒化チ
タンが、図示されるようなライナ４６の上向き面５８で
はなく、封止リング５２の下向き面６４に施されても良
く、或は、封止リング５２の下向き面６４とライナ４６
の上向きｉ５８との両方に施されても良い、窒化チタン
のコーティング７２は、化学的蒸着又は物理的蒸着のよ
うな適当な手段により付着されることができる。

また、第６図に示されるように、窒化チタンのコーティ
ング７４は、ランナ４６の上向き面５８に不動態の内部
防護層として設けられることもできる。

その場合、約０．１５〜０．２０ｍｍ（０，００６〜０
．００８ｉｎ、　）　ｆ）範囲の厚さを有する炭化クロ
ムや他の硬化処理材料によるコーティング７６が、窒化
チタンのコーティング７４上の外部硬化処理層として付
加される。

封止リング５２がグラファイタ・１１４から作られてお
らず、ランナ４６と同様にステンレス鋼から作られてい
る場合、対をなすコーティング７４．７６を、ランナの
場合と全く同様に、封止リング５２の下向き面６４に施
しても良く、或は、封止リング５２とランナ４６の各面
６４．５８に施しても良い、窒化チタンのコーティング
７６は、爆着ガンによる被覆のような適当な手段により
付着される。

このように、中間の第２封止装置４０又は上部の第３封
止装置４２は、窒化チタンのコーティングが施された少
なくとも１つの摩擦接触面を有しており、該コーティン
グは、炭化クロムがコーティングされた封止面で従来観
察されたプリスタリング現象に対して十分な耐久性を有
している。窒化チタンのコーティングは無孔性であり、
プリスタリングの問題を実質的に除去する。　ｚｏｏｏ
時間以上の試験を行った結果、窒化チタンのコーティン
グは、硫黄汚染物質及び塩素汚染物質を含有する原子炉
冷却材に準じた水内で、腐食に耐えることが示された。

炭化クロムの爆着ガンによるコーティングは、同様な腐
食環境において、５００時間の後に激しいプリスタリン
グを生じた。

窒化チタンのコーティングは、摩耗／腐食に対する耐久
性を有する実質上の硬化処理コーティングとして、或は
、爆着ガンにより付着される炭化クロム又は他の硬化処
理コーティングで処理される前に、３０４ステンレス鋼
の基体上に付加される不動態層として適用されることが
できる。即ち、窒化チタンのコーティングは、摩擦接触
型の原子炉冷却材ポンプにおける封止面上の防護層又は
最終コーテイング面として用いられる。このコーティン
グは、ランナの面に適用された場合に、ランナに接する
炭素グラファイタの封止リングに対して耐摩耗性の面を
提供するであろう。

この発明およびこれに付随する多くの利点は、上の説明
から理解されるであろう、また、この発明の精神および
範囲を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲
にすることなく形態、構成および配列に関し、種々の変
更が可能であることは明らかであり、よって、以上に述
べられた形態は単にこの発明の好適な実施例に過ぎない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、原子炉の炉心と閉回路で直列に接続された蒸
気発生器及び原子炉冷却材ポンプを具備する従来の原子
炉冷却系統における冷却ループの１つを示す概略説明図
、第２図は原子炉冷却材ポンプの軸シール部分を示す一
部切欠き斜視図であり、封止ハウジングと、軸シール部
分において該封止ハウジング内に配置されポンプ軸を囲
んでいる第１、第２及び第３の封止装置との断面を示す
と共に、原子炉冷却材ポンプの第２封止装置が本発明に
従って窒化チタンのコーティングを有していることを示
す図、第３図は第２図の原子炉冷却材ポンプの封止ハウ
ジングと封止装置の拡大断面図、第４図は第３図の原子
炉冷却材ポンプの第２封止装置におけるランナの拡大縦
断面図であって、該ランナの上向き面に外層として窒化
チタンのコーティングが施されているところを示す図、
第５図は第４図の５−５線に沿っての見た場合のランナ
の平面図、第６図は本発明の他の実施例による第２封止
装置の封止リングとランナの隣接部分の拡大断面部分図
であって、窒化チタンのコーティングがランナのステン
レス鋼の基体上に内部防護層として付着され、この内部
防護層の上に炭化クロムのコーティングが施されている
ところを示す図である０図中、 １０・・・冷却ループ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 軸と、加圧流体を内包するハウジングとを有するポンプ
   において、前記ハウジング内で前記軸を封止可能に且つ
   回転可能に取り付けるための摩擦接触型の封止装置であ
   って、 （ａ）環状のランナが前記軸と共に回転するように該軸
   の外周に取り付けられ、 （ｂ）環状の封止リングが前記ハウジングに対して非回
   転関係で該ハウジングの内周に取り付けられ、（ｃ）前
   記ランナ及び前記封止リングが、それぞれ、互いに対向
   し且つ摩擦接触する面を有し、 （ｄ）窒化チタンのコーティングが前記面の少なくとも
   一方に施されている ポンプの封止装置。