比利時Doel的Electrabel核電廠（隸屬GDF SUZ集團）由建于20世紀70年代和80年代的兩座400 MW和兩座1000 MW的壓水反應(yīng)堆（PWR）組成。最后建造的兩座反應(yīng)堆，即Doel 3和Doel 4，設(shè)計有3臺50%蒸汽發(fā)生器給水泵，泵的軸封主要采用機械密封形式。其中2臺由渦輪驅(qū)動的泵進行正常運轉(zhuǎn)，而第三臺電動泵主要作為發(fā)電廠的啟動泵和冗余泵。

　　與軟填料密封、使用冷凝注射的固定節(jié)流套管系統(tǒng)以及受控浮環(huán)密封系統(tǒng)等其它替代方案相比，用于高速鍋爐給水泵上的機械密封件自從20世紀60年代后期引入以來，已被證明是一種可靠且經(jīng)濟的密封方式。許多基荷發(fā)電廠通過機械密封件成功實現(xiàn)了5萬小時以上的連續(xù)運行時間。

　　但是，最初安裝于Doel 3和4號機組給水泵上的機械密封件僅達到了9000-16000小時的連續(xù)運行時間，往往因為過度泄漏而需要大修。由于安裝了備用泵，該維修并未導致發(fā)電量的下降或意外停機，但計劃外的頻繁修理增加了Electrable維修部門的維修成本和總體工作量。

Doel 3機組的蒸汽發(fā)生器給水泵

尋求解決方案

　　2004年夏，Electrabel的工程和維修部門向福斯尋求解決方案。系統(tǒng)工程師們通常將泄漏作為判斷機械密封件功能是否正常的首要標準。在某些應(yīng)用場合中，泄漏會導致極為嚴重的后果，但情況也并非總是如此。蒸汽發(fā)生器的給水一般不具危險性，并且受控于泄漏處理系統(tǒng)，因而可確保進入發(fā)電廠的供水可由補給系統(tǒng)進行處理和重復利用。

　　在Electrabel Doel核電站的案例中，在安裝了全新的密封件和翻修的零件之后，原裝密封件在運行的第一年中幾乎沒有可見的泄漏。但在停機及給水泵重新啟動之后，密封泄漏開始增加，直至管理密封循環(huán)液的溫度報警系統(tǒng)發(fā)出溫控警報，泵才停止運行以待維修。

　　該設(shè)施大部分密封件發(fā)生故障的根本原因在于其固定的密封部件缺乏軸向運動，這是由于銷子的錘打使防旋轉(zhuǎn)槽產(chǎn)生毛刺而導致的。由于兩個金屬零件所用的材料及硬度相同，所以毛刺隨著泵的運轉(zhuǎn)而逐漸增多。但用銼刀去除毛刺后，再將密封件安裝回泵內(nèi)即可恢復其密封功能（圖1）。

圖1. 典型密封面變形

　　收到發(fā)電廠提供的泵在發(fā)電廠運行的所有參數(shù)和詳情后，福斯準備了一份詳細的密封建議，包括最低數(shù)量的受控泄漏。由于Doel 3和4號機組的給水泵尺寸較大，且運轉(zhuǎn)速度為4000-4820轉(zhuǎn)/分鐘（rpm），換算圓周速度為55米/秒。對于這種類型的泵而言，對機械密封的要求是非常高的。采用略高的密封件泄漏速度，能夠確保密封面在密封接口內(nèi)部形成穩(wěn)定的液體薄膜，從而降低摩擦和發(fā)熱。改善潤滑有助于降低表面磨損，同時也減少了內(nèi)部密封部件的微小振動。

　　Electrabel發(fā)電廠認可并接受了福斯建議的DHTW機械密封件，在理想的實驗室測試條件下，該密封件的泄漏速度為300立方厘米/小時（cc/hour）。再將該值乘以一個3至5的系數(shù)，用以計算穩(wěn)定運行中泵的實際泄漏。通常增加泵泄漏的原因還與外部影響因素相關(guān)，包括振動、瞬態(tài)和操作變化，但在密封件的設(shè)計階段或在實驗室測試時往往不會考慮到這些因素。

　　福斯首先為Electrabel初步設(shè)計出了新密封解決方案的第一版草案。為了使Electrabel在這些重要的泵上所使用的機械密封件有良好的新舊互換性，因而并沒有計劃對泵的硬件進行改變，從而確保了完全的互換性。初步設(shè)計完成后，即采用了先進的計算機模擬軟件來預測密封端面的機械性能和熱變形以及預期的密封泄漏值。運用多年來設(shè)計高端機械密封件的經(jīng)驗，再結(jié)合多年來對各種應(yīng)用場合的實驗室測試經(jīng)驗，福斯開發(fā)出了精確可靠的無限元分析模型。此模型的精確性與實用性使工程師們能夠在相對較短的時間內(nèi)設(shè)計出適用于苛刻工況條件下的機械密封件。

消除密封的變形問題

　　機械密封件端面在某些因素的影響下會發(fā)生各種形式的變形。兩大主要影響因素是液壓（結(jié)構(gòu)變形）和溫度（熱變形）所導致的變形。液壓壓力通常會導致凹面變形，從而封鎖密封間隙內(nèi)的液體薄膜，改變密封件端面間的靜態(tài)壓力分布。這會平衡密封間隙內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱，而溫度分布的變化則會導致凸面的熱變形。

圖2. Stribeck曲線

　　旋轉(zhuǎn)和固定密封端面之間密封間隙形狀的變化會導致液體薄膜形狀的變化。當密封面之間的密封間隙形狀發(fā)生變化時，密封面之間的液體薄膜寬度也會隨之發(fā)生變化，從而改變密封的泄漏速度。

　　福斯能夠針對具體的運行條件微調(diào)密封件，從而確保在Stribeck曲線內(nèi)混合潤滑與流體彈性動力潤滑方式之間的邊界線上，實現(xiàn)穩(wěn)定的密封運行。圖2中的曲線說明了密封面與密封液體之間的摩擦系數(shù)和密封面間距之間的關(guān)系。在曲線的此區(qū)域內(nèi)運行能夠確保低摩擦系數(shù)和低密封泄漏。

嚴格測試帶來的改進

　　在生產(chǎn)新的機械密封件之前，新的解決方案在荷蘭Roosendaal的福斯密封實驗室經(jīng)過了廣泛的測試，采用來自于發(fā)電廠的真實給水泵來模擬盡可能逼真的現(xiàn)場條件。福斯和Electrabel Doel核電站的工程團隊一起制定了一項測試計劃，以驗證新密封解決方案在所有要求條件下的工作狀況。初期測試標準為：

　　◆ 運行一段時間后的平均泄漏速度為300立方厘米/小時（cc/hour）；

　　◆ 無密封面碎裂或接觸表面變形的跡象；

　　◆ 固定的石墨密封面的最大磨損速度為25微米/小時（祄/hour）

　　Electrabel工程師的主要目標是尋求能夠提供六年不間斷運行的密封解決方案。最初的密封件僅達到了一年半的使用壽命。Electrabel和福斯達成協(xié)議，即DHTW密封件的最短使用壽命要達到25000小時（連續(xù)運行時間），略少于三年。

圖3.福斯為Electrabel Doel 3和4號機組提供DHTW-8750機械密封件

　　密封件經(jīng)過1000小時的測試評估，以300 rpm、800 rpm、2000 rpm和4400 rpm的速度及40 bar的密封壓力為條件進行測試，并引入熱量來模擬從熱泵至密封件的水流。由于速度是密封面熱變形的主要成因，工程師們有時需要在設(shè)計上做出妥協(xié)。

　　在300 rpm的低轉(zhuǎn)速下對密封件進行的測試表明，石墨表面的磨損量有所增加。福斯在與Electrabel Doel共同研究測試結(jié)果后，認為需要通過增加密封的泄漏來減緩低轉(zhuǎn)速下的磨損。雙方達成一致：在實驗室條件下，泄漏速度為500立方厘米/小時（cc/hour）。

　　完成實驗室測試后，詳細的測量數(shù)據(jù)顯示，采用新的泄漏速度后，表面部件的磨損率極低。采用本設(shè)計，密封件預期有八年的理論壽命，比Electrabel Doel最初要求的壽命還多兩年。

　　福斯的售后理念在于為整個系統(tǒng)服務(wù)，而非僅為單個部件提供服務(wù)，因此還制定了詳細的密封件冷卻系統(tǒng)修改建議，即Plan 23。由于最初的密封件在相對較高的密封循環(huán)溫度下運行，因此需要安裝全新的高效密封件冷卻器，并更換直徑更大的互聯(lián)密封管道來降低流阻。

最初的密封冷卻系統(tǒng)（左）和新的優(yōu)化的密封冷卻系統(tǒng)

　　為確保新的密封管道能夠正確的安裝，密封件工程師們?yōu)楣艿拦��?yīng)商最終的管道安裝流程及儀表的設(shè)計和單線圖繪制提供了協(xié)助。

連續(xù)運行中

　　在Doel 3機組停機期間，兩個DHTW-8750機械密封件首次于2005年6月安裝到了渦輪驅(qū)動給水泵PP-FW-0064內(nèi)。為確保密封件安裝到位，福斯還專門安排了經(jīng)驗豐富的現(xiàn)場工程師對其進行了全面的檢查。

　　2005年6月14日，當反應(yīng)堆聯(lián)機后，渦輪驅(qū)動泵獲得足夠的蒸汽重新投入了運行。Electrabel工程師立即注意到密封件循環(huán)溫度較此前低得多，顯示機械密封件的冷卻充分。除了將密封件循環(huán)溫度降低10-15℃之外，密封入口和出口之間的溫差也從10℃降至3-5℃。由于Electrabel Doel在密封管道上安裝了臨時的溫度記錄器，可進行精確的測量和記錄，而該溫度記錄器此后也將會成為密封件監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。如今，這兩個首批投入使用的DHTW-8750密封仍在正常運行，并且自安裝之日起始終穩(wěn)定如初。

　　雖然該機械密封件尚未達到Electrabel Doel所要求的六年運行目標，但已經(jīng)實現(xiàn)了一致同意的25000小時的連續(xù)運行時間。Electrabel Doel計劃在使用期滿六年之后再將安裝的福斯密封件翻新。