陳侃，郭逸，劉偉，張君凱，任何冰

(1. 中密控股股份有限公司，四川 成都 610045；2. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

核電站反應(yīng)堆冷卻劑主泵(reactor coolant pump，RCP)軸封主要分為流體靜壓型軸封和流體動(dòng)壓型軸封兩大類[1-2].承擔(dān)主要負(fù)載的摩擦副均屬于液體潤(rùn)滑非接觸式機(jī)械密封[3].兩類軸封均由3級(jí)密封串聯(lián)布置組成.其中靜壓軸封的一級(jí)密封通過在端面設(shè)置微錐度，在流體壓力作用下維持?jǐn)?shù)十μm間隙以承擔(dān)主要載荷并控制介質(zhì)泄漏[4-5]；二級(jí)和三級(jí)密封為普通接觸式機(jī)械密封.動(dòng)壓軸封的3級(jí)結(jié)構(gòu)相同，每級(jí)在靜環(huán)端面上加工了連續(xù)微波形槽.在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由流體剪切產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)維持?jǐn)?shù)μm間隙并控制泄漏.靜壓軸封的一、二、三級(jí)密封分別承擔(dān)15.50，0.21，0.10 MPa壓差.動(dòng)壓軸封通過密封殼體級(jí)間節(jié)流盤管分壓，使得15.9 MPa的總壓均分至每一級(jí)密封，每一級(jí)均承擔(dān)5.3 MPa壓差載荷.

國(guó)內(nèi)某1 080 MW核電機(jī)組RCP軸封采用的是流體動(dòng)壓軸封.在運(yùn)轉(zhuǎn)周期末觀察到三級(jí)低壓泄漏增加，三級(jí)密封腔壓力從5.3 MPa降至4.5 MPa.103大修對(duì)3個(gè)位號(hào)主泵軸封解體后均觀察到三級(jí)密封靜環(huán)導(dǎo)套及三級(jí)軸套外表面有發(fā)黃發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，靜環(huán)組件O形圈均有蛇形彎曲的痕跡.因此初步分析該機(jī)械密封的性能劣化是由于浮動(dòng)O形圈摩擦力增加導(dǎo)致[6-7].鑒于一、二級(jí)密封軸套無發(fā)黃發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，初步判斷導(dǎo)致浮動(dòng)三級(jí)浮動(dòng)O形圈摩擦力增加的原因：由于三級(jí)泄漏側(cè)壓力為大氣壓，流體剪切作用導(dǎo)致空穴產(chǎn)生，形成富氧區(qū)域，而泵腔中高溫工作介質(zhì)的熱量通過軸傳導(dǎo)至軸封段，在第三級(jí)處，軸套金屬內(nèi)部溫度超過100 ℃，導(dǎo)致該區(qū)域形成了兩相流、富氧、高溫、流體剪切的復(fù)雜嚴(yán)苛工作環(huán)境.O形圈及其配合面長(zhǎng)期處于微動(dòng)磨損狀態(tài)，裝配時(shí)涂抹在O形圈上的硅脂混合PTFE擋圈磨損掉落后的石墨和聚四氟乙烯顆?；旌橡ぶ贠形圈摩擦界面.加之惡劣工作環(huán)境造成O形圈摩擦界面局部缺乏良好的液體潤(rùn)滑，最終導(dǎo)致浮動(dòng)O形圈摩擦力變大，三級(jí)導(dǎo)環(huán)及軸套表面被氧化[8-9].

有研究者[10]提出對(duì)RCP動(dòng)力電纜信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以反映主泵工作狀態(tài).但該方法不能反映RCP軸封細(xì)部的工作情況.為了復(fù)現(xiàn)及研究RCP軸封工作異?，F(xiàn)象發(fā)生的原因，文中開展主泵溫度場(chǎng)分析和基于內(nèi)窺鏡圖像處理的泄流流態(tài)識(shí)別研究工作，提出以Sobel邊沿算法特征值作評(píng)價(jià)參數(shù)以獲得密封背壓與泄漏流狀態(tài)間關(guān)系，并開展試驗(yàn)研究.

1 RCP軸封結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)問題

流體動(dòng)壓型主泵軸封的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每一單級(jí)密封結(jié)構(gòu)如圖2所示.動(dòng)環(huán)為石墨環(huán)，由內(nèi)外金屬環(huán)鑲裝而成.靜環(huán)為硬質(zhì)合金環(huán)外側(cè)鑲裝金屬環(huán)并在硬質(zhì)合金環(huán)端面加工了連續(xù)正弦波形槽.副密封用于密封靜環(huán)座、動(dòng)環(huán)座與軸套之間間隙.其中靜環(huán)組件的副密封屬動(dòng)態(tài)密封，工作時(shí)處于浮動(dòng)狀態(tài)[11]，有一定的軸向和徑向位移追隨功能.

圖1 RCP流體動(dòng)壓軸封示意圖

圖2 動(dòng)壓軸封單級(jí)結(jié)構(gòu)圖

1.1 軸套發(fā)黃發(fā)藍(lán)現(xiàn)象回顧

核電站現(xiàn)場(chǎng)第103次大修后，對(duì)3個(gè)位號(hào)主泵軸封解體，觀察到的部件狀態(tài)見圖3a；相同軸封工程樣機(jī)全廠停水停電(station black out, SBO)工況試驗(yàn)后部件狀態(tài)見圖3b.可以發(fā)現(xiàn)，SBO工況純高溫水靜止工況下不銹鋼金屬表面呈現(xiàn)出古銅色較亮的氧化層，而某核電站軸封部件工作周期后呈現(xiàn)為麥芽黃亞光氧化層，這說明氧化層形成機(jī)理不同.

圖3 高溫發(fā)黃發(fā)藍(lán)與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)黃發(fā)藍(lán)對(duì)比Fig.3 Comparison of yellowing and bluing between high temperature and field work conditions

相同軸封工程樣機(jī)SBO工況試驗(yàn)后解體狀態(tài)參數(shù)、兩種工況對(duì)比見表1，表中物理量為注入水壓力pw、注入水溫度θw、轉(zhuǎn)速n、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t.

表1 SBO工況與現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)比

將軸封三級(jí)軸套按1∶1比例與零部件工程圖繪制在一起，如圖4所示，其中紅色部分為低壓泄漏流體區(qū)域截面.

圖4 軸套發(fā)黃位置在圖紙中位置

并可觀察到，在三級(jí)低壓泄漏側(cè)，間隙越小的區(qū)段，發(fā)黃越明顯.在相對(duì)靜止的小間隙區(qū)域沒有觀察到明顯的發(fā)黃現(xiàn)象.引發(fā)該現(xiàn)象的原因應(yīng)從多個(gè)角度考慮，例如流體剪切作用、泄漏介質(zhì)相態(tài)改變、軸套金屬溫度過高、介質(zhì)富氧等，而首先應(yīng)對(duì)主泵軸系溫度分布進(jìn)行分析.

1.2 溫度場(chǎng)分析

表2為某核電站RCP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù).以表中所示2號(hào)主泵測(cè)點(diǎn)信息為邊界條件，采用FEM建模分析軸系下段溫度場(chǎng)分布.關(guān)注主泵軸系從熱屏上端至聯(lián)軸器下端.

表2 某核電站RCP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

在已知軸封高壓泄漏水流量、軸封注入水和高壓泄漏水溫差，并以黏滯剪切模型近似計(jì)算軸封摩擦副發(fā)熱功率后，整個(gè)軸封系統(tǒng)在工作期間的發(fā)熱功率加上軸系傳熱至密封段的熱輸入功率可根據(jù)文獻(xiàn)[11]之方法計(jì)算，總計(jì)12.9 kW[12].這使得QH=770 L/h的高壓軸封注入水產(chǎn)生了ΔT=14.4 ℃的溫升.邊界條件設(shè)置如圖5所示，圖中A，E兩處溫度分別為80 ℃，300 ℃；B,C,D,F,G處為熱流功率邊界條件，符號(hào)“+”表示熱流流入，“-”表示熱流流出.軸系下段溫度分布如圖6所示.

圖5 軸系溫度分布計(jì)算邊界條件Fig.5 Boundary conditions for temperature distribution of shaft system

圖6表明，整個(gè)軸封系統(tǒng)在第三級(jí)密封處溫度大約為123 ℃，軸金屬壁面的最高溫度約為129 ℃.該處低壓泄漏介質(zhì)為常壓，存在氣化可能.三級(jí)密封泄漏處的介質(zhì)狀態(tài)可能處于氣液兩相流狀態(tài).此外，受流體剪切作用，也會(huì)加強(qiáng)空穴和蒸汽的產(chǎn)生.為了證明該結(jié)論，需開展基于圖像相態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的試驗(yàn).

圖6 軸系下段溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution of pump shaft downstream section

2 三級(jí)低壓泄漏流相態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

搭建1∶1比例的RCP動(dòng)壓軸封工程樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖7—8所示.

圖7 工程樣機(jī)試驗(yàn)裝置及窺鏡

圖8 三級(jí)密封及窺鏡安裝

在三級(jí)密封導(dǎo)環(huán)和靜環(huán)座增加小孔用于埋設(shè)1個(gè)內(nèi)窺鏡，窺鏡頭穿過工裝腔體、三級(jí)靜環(huán)導(dǎo)套、三級(jí)靜環(huán)座，到達(dá)三級(jí)密封端面內(nèi)徑側(cè).在端蓋設(shè)置2個(gè)內(nèi)窺鏡，位于不同半徑處，用于輔助觀察泄漏流體飛濺情況.所使用的器材：Bosch工業(yè)內(nèi)窺鏡×1，直徑2.5 mm；ADM-5工業(yè)內(nèi)窺鏡×2，直徑5.3 mm.采用Sino Seal提供的自主研發(fā)的動(dòng)壓軸封第3級(jí).

2.2 試驗(yàn)方法

采用軟管連接密封低壓泄漏口至高位，并自由排放到收集箱.軟管出口最高點(diǎn)位置可調(diào)并記錄每次調(diào)整相對(duì)地面的絕對(duì)高度H(即低壓泄漏水位高度；低壓泄漏口相對(duì)地面的初始高度為1.30 m).對(duì)比不同低壓泄漏出口高度相應(yīng)的窺鏡觀測(cè)記錄情況.試驗(yàn)工況及參數(shù)見表3.

表3 試驗(yàn)條件及要求

2.3 基于Sobel算子邊沿檢測(cè)的相態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了衡量高度H與流態(tài)紊亂的程度，提出采用基于Sobel算子的邊沿檢測(cè)(edge detect)技術(shù)，以量化動(dòng)壓軸封低壓泄漏高度與內(nèi)部流態(tài)紊亂程度之間的關(guān)系[13].

對(duì)于一個(gè)圖像清晰度的量化，最常用的方法主要有空域函數(shù)、頻域函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)4個(gè)大類[14].其中最常用、計(jì)算速度較快并適合于在線圖像狀態(tài)判斷的算法主要屬于空域函數(shù)類[15].空域函數(shù)中，Sobel算子屬于非線性高通空間濾波，可以偵測(cè)邊沿，也可以移除獨(dú)立噪點(diǎn)[16].

Sobel算子[17]定義為

(1)

(2)

試驗(yàn)中所獲取的窺鏡圖像為320 px×240 px(像素)，假設(shè)該圖像像素值為函數(shù)f(x,y),每個(gè)像素點(diǎn)沿x方向一階導(dǎo)數(shù)為Gx(x,y)，沿y方向一階導(dǎo)數(shù)為Gy(x,y).則

Gx(x,y)=Tx?f(x,y)，

(3)

Gy(x,y)=Ty?f(x,y).

(4)

于是可以獲得圖像上每個(gè)像素水平和垂直方向上的灰度值為

(5)

程序用C#語言調(diào)用OpenCV函數(shù)實(shí)現(xiàn).OpenCV是開源許可的機(jī)器視覺和圖像處理函數(shù)庫.通過2個(gè)不同比較閾值處理的Sobel邊沿檢測(cè)結(jié)果矩陣，求取邊沿檢測(cè)算法特征值δs1s2作為最終的泄漏流態(tài)圖像清晰度判別值.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過所開發(fā)的Prometheus關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄窺鏡視頻并定時(shí)截圖，獲得如圖9左側(cè)所示結(jié)果(右側(cè)均為Sobel邊沿檢測(cè)圖像；H為密封背壓，水柱高度)，圖中Δh為低壓泄漏最高水位與低壓泄漏初始高度差值，δs1s2為邊沿檢測(cè)算法特征值.

圖9 背壓與內(nèi)部流態(tài)圖像Fig.9 Back pressure and endoscope image of internal flow pattern

以H=1.30 m為基準(zhǔn)對(duì)比δs1s2發(fā)現(xiàn)：H=0.77 m，清晰度低63.2%；H=1.55 m，清晰度高27.0%；H=1.80 m，清晰度高92.3%.

通過觀察圖9中圖像已經(jīng)可以較為明顯地判斷動(dòng)壓軸封三級(jí)低壓泄漏側(cè)狹小環(huán)形流道中流體的形態(tài).可以發(fā)現(xiàn)高度H越大，圖像清晰度越高.這是由于背部壓力提高，使得泄漏側(cè)流場(chǎng)不易因?yàn)檩S套的旋轉(zhuǎn)剪切而產(chǎn)生空穴.

根據(jù)圖9可以繪制低壓泄漏高度與清晰度的關(guān)系曲線，如圖10所示.

圖10 三級(jí)軸封低壓泄漏高度最大優(yōu)化值Fig.10 Maximum optimization value of low-pressure leakage height of three stage shaft seal

通過窺鏡Sobel邊沿圖像觀察到抬高三級(jí)低壓泄漏水位可以一定程度消除低壓泄漏側(cè)環(huán)形間隙內(nèi)部流體空穴，1.80 m高度時(shí)效果最好，1.55 m高度具有良好效果.由于受到動(dòng)壓軸封停車密封介質(zhì)疏排功能限制，U形管的最高水位不能超過停車密封限位開關(guān)桿的橢圓孔高度.因此，U形管最高設(shè)計(jì)水位為1.55 m，即比原低壓泄漏水位高25 cm，如圖10所示.此時(shí)相態(tài)圖片清晰度提高27.0%；泄漏介質(zhì)不會(huì)從停車密封的孔洞和頂端的環(huán)形間隙逸出.

3 結(jié) 論

1) 以某1 080 MW機(jī)組RCP軸封在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界條件，建立了FEA傳熱模型，仿真計(jì)算了泵軸系在正常工作狀態(tài)下近似溫度分布.在第三級(jí)軸封段附近，軸金屬壁面的最高溫度約為129 ℃.

2) 通過窺鏡圖像處理方法，監(jiān)測(cè)軸封三級(jí)泄漏流場(chǎng)流態(tài).并開發(fā)了基于Sobel圖像邊沿偵測(cè)算法的Prometheus重要旋轉(zhuǎn)設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).通過沿偵測(cè)并考慮停車密封疏排功能限制，最終密封背壓的建議值為1.50 m.

3) 在三級(jí)低壓泄漏管線上增設(shè)U形連通器可以提高低壓泄漏流背壓，從而改善三號(hào)密封浮動(dòng)O形圈與導(dǎo)環(huán)界面的潤(rùn)滑性，降低三號(hào)密封卡滯風(fēng)險(xiǎn)，提升密封整體可靠性，從而最終達(dá)到提升密封性能的目的.