二次滤网主轴包静密封失效分析及设计改进.pdf

WEI Bang-huaHydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.021二次滤网主轴包静密封失效分析及设计改进魏邦华（福建福清核电有限公司，福建福清3 50 3 18）摘要：为了解决某核电机组二次滤网主轴包静密封漏水故障，采用性能测试、力学及有限元分析方法寻找二次滤网主轴包静密封失效原因。研究结果表明，主轴包静密封失效的根本原因是该处密封设计不合理，使得该密封圈运行时承受周期性外力作用，导致密封圈的疲劳老化,最终造成静密封失效。对此，提出了针对性的设计改进，提高了二次滤网主轴包静密封的密封可靠性。关键词：二次滤网设备；静密封；失效分析；设计改进中图分类号：TB42Failure Analysis and Design Improvement of Static Seal for Chief Axis(Fujian Fuqing Nuclear Power Co.,Ltd.,Fuqing 350318,China)Abstract:In order to solve water leakage malfunction of the twice filter equipment for some nuclear power plant unit,making use of theperformance testing and finite-element analysis method to find the malfunction reason of the static seal for chief axis package of the twice filterequipment.The result show that the malfunction root reason is that the static seal for chief axis package design unreasonably,the static seal forchief axis package of the twice filter equipment was standing external force when the twice filter equipment was operating,and leaded to the sealring fatigue,finally caused the seal malfunction.Thus,put forward Well-directed design improvement,enhanced the static seal reliability forchief axis package of the twice filter equipment.Key words:twice filter equipment;static seal;failure analysis;design improvement0引言核电机组中二次滤网设备的功能是过滤循环水中的杂质，保证符合要求的循环水进入凝汽器传热管水侧,冷却汽轮机的排汽，二次滤网故障，将影响机组的冷源安全，将会导致机组降功率或停机。目前百万千瓦核电机组配套的某厂家二次滤网设备经常出现主轴包静密封漏水故障，函需研究漏水根本原因并进行改进，提高二次滤网主轴包静密封的密封可靠性。1二次滤网工作原理百万千瓦核电机组配套的二次滤网设备工作原理如图1所示，这种结构的二次滤网采用网片固定、排污斗旋转的方式设计。当滤网压差高时自动进行反冲收稿日期：2 0 2 3-0 4-17作者简介：魏邦华（19 7 3-），男，安徽定远人，高级工程师，学士，从事设备维修管理工作。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 119-0 5Package of Twice Filter Equipment洗，此时驱动电机运行，通过传动轴带动伞形减速器工作，伞形减速器通过联轴器驱动主轴包运行，主轴包带动排污斗依次间隔转动，当排污斗转至某一隔仓定位停止时，此隔仓区域内的水在压差的作用下改变方向，从滤网内反向流入排污斗内，冲洗排污区域滤网表面，将杂物冲出滤网,并经排污阀排出,完成一个隔仓的清洗、排污过程，实现滤网自动清洗排污。进水侧41.扇形滤网2.压差测量系统3.驱动电机4.反冲洗排放阀5.排污斗图1二次滤网工作原理图出水侧5119液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期2设计二次滤网结构某厂家设计的二次滤网设备结构如图2、图3 所示 ,该型号的二次滤网主轴包静密封已在核电运行中多次出现漏水故障，严重影响二次滤网设备的可靠运行，经停机打压检查发现主轴包静密封处有漏点，其他位置如密封罩密封圈处无漏点，主轴包静密封使用的密封圈规格为30012mm,材质为丁腈橡胶,需对主轴包静密封失效原因进行研究，以便于解决二次滤网主轴包漏水问题。密封罩内部减速机出水侧图3 主主轴包静密封安装位置图3，二次滤网主轴包静密封失效因分析密封圈安装错位、密封质量问题、密封圈老化及设计方面原因均可导致密封失效，初步分析基本可以排除密封圈安装问题,因为每次主轴包及密封罩安装完成后需进行打压试验且打压合格，若密封圈安装错位，则出现渗漏会导致保压不合格，从每次安装后的保压120合格推测密封圈安装位置正确。3.1密封圈性能测试及检查1）物理性能测试将同批次的新密封圈以及拆下来的旧密封圈送专业的检测机构对密封圈的物理性能进行对比测试，测试结果 3 如表1 所示。表1新旧密封圈物理性能测试新密标准物理性能旧密封圈封圈要求 2 硬度(邵尔A70型)HSDd529拉伸强度(最14网片小）/MPa主轴包静密封主轴包动密封主轴包排污斗2800图2二次滤网结构图0300X12测试方法4570 5样品损坏11GB/T 528-2009无法取样扯断伸长率样品损坏257220CB/T 528-2009进水侧(最小）/%丁橡胶的老化和天然橡胶相似，以分子链断裂为主,故老化后橡胶变软发黏而失去使用性能 4。根据表1密封圈物理性能可知，新密封圈质量没有问题，但旧密封圈硬度严重低于丁睛橡胶的一般标准，说明旧密封圈发生了大规模的分子链降解导致硬度降低，从而证明了该密封圈出现严重老化。2）光谱图检查对失效的密封圈进行了傅里叶红外光谱图检查，发现失效密封圈样品在17 2 4cm出现（C=0)信号峰，表明失效密封圈发生了材质老化,存在分子链断裂现象，因此出现了新的特征峰。3）表面检查对拆下的旧密封圈送到专业机构进行宏观表面检查（电子显微镜）及微观表面检查（扫描电镜），检查结果：从电子显微镜下看到旧密封圈表面有大量的裂纹，裂纹表面有大量泥沙；根据扫描电镜分析旧密封圈断面不规则,灰白色，且存在大量的老化颗粒和孔洞，说明旧密封圈发生了严重老化 5,电子显微镜及扫描电镜检查图片如图4、图5所示。图4电子显微镜图片GB/T 531-2008无法取样Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024F2=p S=2 50 0 N(2)反冲洗时排污斗所受压差作用力：F,=ApS=50000N式中,p=1000 kg/m;S=0.25m;=3 m/s;式中Api=0.2 MPa;p =0.0 1 M Pa。正常运行时主轴包静密封所受轴向力为：F，+F 2=3625N;图5扫描电镜图片反冲洗时主轴包静密封所受轴向力为:F,+F，=3.2设计原因排查51125 N。主轴包静密封按承受0.3 MPa压力设计（工作压二次滤网运行及反冲洗时除了受流体静压作用力0.2 MPa），密封圈规格31212mm,材质为丁橡外，还受流体动压及排污斗压差的共同作用，也就是说胶,配套密封槽为半圆槽，槽半径为6 mm，设计要求该原设计厂家对该密封设计只按承受静压计算是不合理密封圈的的压缩量为3 4 mm,安装时通过紧固主轴的,这一设计欠缺是导致该密封圈故障的根本原因。包的固定螺栓将密封圈压缩量调到3 4mm，通常对反冲洗时排污斗所受轴向力达到5112 5N,在该力的作应的螺栓力矩约为8 0 9 0 Nm。用下，主轴包静密封将进一步被压缩，使得原先调整好主轴包静密封槽一的密封圈压缩量(3 4 mm）进一步增加,导致密封圈过压，当反冲洗结束后排污斗上所受的力F，消失，密主轴龟动密封封圈将会回弹。当再次反冲洗时密封圈又被过压，反冲洗结束密封圈又将回弹,如此循环往复。周期性机械外力作用可导致密封圈发生疲劳老化 7 。主轴包固定螺栓2）主轴包静密封圈有限元分析排污斗固定螺栓由于密封圈属于弹塑性材料,密封圈的力学特性图6 主轴包详图呈现为非线性的。根据分析经验（大多数市场橡胶多采用M-R模型）,选择M-R模型作为橡胶材料的本构模型。由于O形密封圈属于完全轴对称结构,为了简化分析,以2 D模型,详见图8,进行0 形圈的静密封分析。根据实际的工程应用,密封圈和法兰之间属于摩2-R1擦接触,密封圈为接触面,法兰为目标面。接触对之间R6采用摩擦接触,摩擦系数为0.1,控制方程采用增强拉格朗日算法。当密封圈的压缩量为5mm（法兰间隙约图7 主轴包静密封槽详图为1 mm)左右时;此时的密封圈变形、应力以及接触压经计算主轴包安装后其法兰与安装面间约存在2力云图如图9 图11所示。3mm间隙，密封圈的压缩率达到了2 5.0%3 3.3%。对安装好的主轴包及密封罩进行了打压，打压压力为0.3MPa且保压合格。1）主轴包静密封受力分析由图2、图6 可知主轴包推力轴承所承受的轴向推力最终会传导至主轴包静密封处，造成该密封圈受力，分析该轴向力主要由排污斗所承受的流体动压以及排污斗承受的压差所产生的轴向力。排污斗所受的流体动压(：F,=puS/2=1125 N正常运行时排污斗所受压差作用力：(3)(1)图8 本构模型121其物理性能弱化的各种现象，以至于最后丧失使用价值 8 。液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期A:Static StructuralTotal DeformationType:Total DeformationUnitmmTime:12021/12/1219:085Max4.44443.88893.33332.77782.22221.66671.11110.55556OMinA:Static structuralEquivalent StressType:Equivalent(von-MisUnit:MPaTime:12021/12/1219:0911.073Max9.84298.61267.38226.15184.92153.69112.46071.2304OMinA:Static StructuralPressureType:PressureUnit:MPaTime:12021/12/12.19:0912.572Max11.1759.77788.3816.98425.58734.19052.79371.3968OMin从上述有限元分析可知当该密封圈压缩量为5mm时，此时橡胶内部应力分布最大值已超过11MPa,密封圈表面中间接触压力已超过12 MPa,超过标准中丁腈橡胶允许强度的下限值，进一步证明了主轴包静密封在设计上确实存在欠缺。3.3主轴包静密封老化分析1）橡胶老化机理橡胶的老化现象是指：橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用的过程中受到机械能、光能、辐射能等作用，还会有各种化学反应涉及有氧、臭氧、多价金属等使橡胶表面产生了变色、发黏、发软、变脆、硬化、裂纹导致122橡胶老化实质是橡胶分子链的主链、侧链、交联键断裂反应占优势，老化表现为橡胶变软、表面发黏。橡胶分子链先是断裂反应，同时以新的交联反应占优势，老化呈现出表面变硬、发脆、产生裂纹，一般橡胶分子链在老化过程中按照异裂、均裂、环化反应这3 种基本机理完成所有的化学反应 9 。橡胶老化外因与物理因素、化学因素、疲劳因素、图9 变形云图设计因素密切相关,橡胶材料一般使用寿命为45年，但发生漏水的二次滤网主轴包静密封常常是在安装后6 12 个月内发生失效，该密封圈使用环境为海水系统,这么短的时间内橡胶发生了老化可能是设计方面考虑不周加快了橡胶老化所致。2）机械应力导致主轴包静密封疲劳老化分析关于橡胶的疲劳老化发生的机理，学界普遍认为可分为机械破坏理论和力-化学破坏理论两大类。橡胶疲劳的机械破坏理论认为，橡胶的疲劳老化是橡胶长期受外界机械应力，导致其结构及性能发生图10 应力云图变化。而力-化学破坏理论,是在机械破坏理论的基础上，提出橡胶在受到外界应力时，自身的网络结构同时发生改变，在机械应力反复作用下，会使橡胶分子链断裂生成游离基，引发氧化链反应，形成力-化学过程 10 。因主轴包静密封在设计时考虑不周，未考虑该密封会承受周期性的外力作用，当二次滤网反冲洗时，密封圈过压,反冲洗停止后密封圈回弹,再次反冲洗时密封圈又被过压,使得密封圈发生多次变形,容易出现疲劳老化。4设计改进图11接触压力云图针对性的改进是让密封圈安装后不再承受流体动压和压差作用力，使二次滤网运行时所受的周期性轴向外力完全由法兰面承受，密封圈处于密封槽内不再承受该周期性外力作用，可防止密封圈因机械应力作用而导致的疲劳老化,改进后的主轴包静密封结构详见图12 所示。4.1主要改进将原来的半圆形密封槽更改为9.7 mm5.72mm的矩形槽 ,与其配套的密封圈更换3007mm 的橡胶密封圈。为了保证密封的可靠性，在主轴包与壳体之间,增加了一道轴向静密封。选用2685.3mm的橡胶密封圈，提升密封可靠性。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024在二次滤网设备运行时排污斗所受的轴向力最终会通过推力轴承传递到该密封圈处，使得该密封圈受到周期性的外力作用,导致密封圈疲劳老化,结果出现密封失效。5.728（2）基于二次滤网主轴包静密封设计缺陷提出了针对性的改进措施，即按国标将密封圈槽改成标准的血0 形密封圈$3 0 0 x7矩形槽（规格9.7 mm5.72mm），密封圈按国标选取0形密封圈268x5.33007mm,这样主轴包的安装螺栓紧固后该密封圈图12改进后主轴包静密封结构4.2改进计算压缩率W通常用式（4）表示：W=(d。-h)/d。式中，d。一密封圈在自由状态下的截面直径,mmh一密封圈槽底与被密封表面的距离,即形密封圈压缩后的截面高度,mmW=（7-5.7 2）/7=18%，密封圈压缩率符合国标要求 12 4.3改进效果按国标将密封圈槽改成标准的方槽，主轴包的安装螺栓紧固后该密封圈处于密封槽内，两法兰面将贴紧，密封圈压缩量达到设计值18%，可起到密封作用。二次滤网运行时周期性的轴向力将由安装法兰面承受,密封圈不再承受该周期性的轴向力，可缓解密封圈老化,另外在主轴包与壳体间增加了一道轴向2685.3mm静密封,可起到密封的双重保险，提高了此处密封可靠性。运行证明，改进后二次滤网主轴包静密封结构可靠，未出现漏水故障，从根本上解决了二次滤网主轴包静密封漏水问题。5结论通过对失效密封圈的物理性能测试和表面检查，并运用力学和有限元分析得出如下结论：（1）因二次滤网主轴包静密封在设计时考虑不周，未考虑该密封会承受周期性的外力作用，但实际上引用本文：魏邦华.二次滤网主轴包静密封失效分析及设计改进 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（3）：119-12 3.WEI Banghua.Failure Analysis and Design Improvement of Static Seal for Chief Axis Package of Twice Filter Equipment JJ.HydraulicsPneumatics&Seals,2024,44(3):119-123.处于密封槽内，两法兰面将贴紧，密封圈压缩量达到设计值18%，可起到密封作用。二次滤网运行时周期性的轴向力全部由安装法兰面承受，密封圈不再承受周期性的轴向力作用,可缓解密封圈老化,提高了二次滤(4)网主轴包静密封的密封可靠性。参考文献1马虹.福清3、4号机组二次滤网设备竣工图分卷Z.兰州：兰州宏祥电力技术开发有限公司，2 0 13.2JB/T7757.2-2006,机械密封用0 形橡胶密封圈 S.3王英杰.福清核电二次滤网密封圈老化机理分析 Z.苏州：苏州热工研究院,2 0 2 1.4李昂.橡胶的老化现象和老化机理J.特种橡胶制品，2009,30(5):62.5王英杰.福清核电二次滤网密封圈老化机理分析 Z.苏州：苏州热工研究院,2 0 2 1:12-15.6孔珑.工程流体力学M.第4版.北京：中国电力出版社，2013:69.7王思静,熊金平，左禹.橡胶的老化机理和研究方法进展J.合成材料老化与应用,2 0 0 9,3 8(2）：2 5.8范丽雄.橡胶的老化现象及其老化机理 J.化工设计通讯,2 0 18,44(8):54.9李昂.橡胶的老化现象和老化机理 J.特种橡胶制品，2009,30(5):56.10符尧.橡胶的疲劳老化与防护 J.特种橡胶制品,2 0 19,40(4):63.11C B/T 3 452.3-2 0 0 5,液压气动用0 型橡胶密封圈沟槽尺寸 S.12G B/T 3 452.3-2 0 0 5,液压气动用0 型橡胶密封圈沟槽尺寸 S.123