给水泵是核电机组的重要组成部分，是输送液体并为液体增压的机械设备。目前给水泵中使用的密封圈类型多样，其密封作用也不同，例如V型密封圈用于转轴无压密封，可防止液体向外泄露；O型密封圈适用于静密封和往复运动密封，多在低速回转装置中使用；Y型密封圈广泛应用在往复动密封装置中[1]。文章结合笔者实践经验，分析了给水泵密封圈失效的原因，并提出针对性的改进措施。
1．核电用主给水泵密封圈失效的故障概况
1.1 故障现象
国内某核电站内，主给水泵是由前置泵、驱动电机、液力耦合器、压力级泵等组成。该给水泵的出口压力是8 MPa，流量值为1450-3750 m3/h，通过调节流量值，满足机组在不同功率下运行的需求。其中，2#机组运行中，驱动端机械密封冷却夹套、泵盖位置出现渗水。于是机组停运进行检查，发现冷却夹套内的密封圈鼓泡突起，而泵盖位置的密封圈出现破损。
1.2 密封圈设计
冷却夹套内的密封圈（以外简称A密封圈），为泵盖和机械密封冷却夹套提供密封。它的材质是VITON氟橡胶，安装在圆形方槽内，使用环境温度为180℃，压力为3.5 MPa。螺栓预紧产生变形，从而形成静密封，防止液体从泵盖与冷却夹套之间的缝隙泄漏。泵盖位置的密封圈（以外简称B密封圈），为泵盖和泵体提供静密封。它的材质是VITON氟橡胶，使用环境温度为180℃，压力为8 MPa，防止液体从泵盖与泵体之间的缝隙泄漏。
2．密封圈失效的测试方法和原因分析
该给水泵在核电机组中广泛使用，密封圈失效故障是首次出现，必须明确失效原因，并采取改进措施，才能防止类似故障再次发生。基于此，分别对A、B密封圈进行外观检查、电镜扫描、红外光谱分析和硬度检测[2]，并和未使用过的完好密封圈C进行对比，简要介绍如下。
2.1 外观检查
第一，肉眼观察。A、B、C密封圈的内径，分别约为50 cm、32 cm和40 cm，其中A密封圈有5处鼓泡，内圈可见磨损造成的粗糙状，呈椭圆形。B密封圈有2处明显破损，可以观察到小裂纹，呈椭圆形。C密封圈表面光滑，呈圆形。
第二，表面检查。A密封圈的鼓泡处，位于磨损区和光滑区的交界，交界处有裂纹，鼓泡向磨损区进一步扩展。磨损区表面粗糙、颜色为红色；光滑区表面光滑、颜色为黑色，没有划伤痕迹。鼓泡的裂缝和未开口的裂缝连在一起，推测认为鼓泡是裂缝发展引起的。B密封圈的裂缝横向延长，裂缝宽度约为3 mm；裂缝两侧有划伤痕迹，缺口位置比较尖锐，推测是裂纹的启裂位置。在裂缝内有橡胶小碎块，该位置的密封圈已经变形，其他区域也有不少裂缝。
第三，截面检查。经精准测量，A密封圈2个垂直方向的直径是5798.49 μm和5151.48 μm，即原始线径约5800 μm，使用后变为5150 μm，压缩率为11.2%，形状上类似于椭圆形。B密封圈2个垂直方向的直径是5607.08 μm和5206.66 μm，即原始线径约5600 μm，使用后变为5200 μm，压缩率为7.1%，形状上类似于椭圆形。而C密封圈2个垂直方向的直径是5526.37 μm和5518.84 μm，即原始线径约5500 μm，没有发生变形，形状依然是圆形。另外，选择B密封圈的横向裂纹处，取样剖析截面特点，可见一个长条形的裂纹，既没有和横向裂纹相交，也没有到达密封圈边缘，属于密封圈内部裂纹。
2.2 电镜扫描
A密封圈表面磨损，磨损过程中和外物接触，先进行电镜扫描，然后选择磨损区小裂缝两侧，进行能谱分析。结果显示：①碳、氧、氟是密封圈自身元素，占比约50%；②铁是外来元素，占比约50%。
2.3 红外光谱分析
对A、B、C密封圈取样，进行红外光谱分析，绘制波数-光谱强度图，分析图像特征。结果显示：三个密封圈的特征吸收峰值相近，A密封圈的特征峰是860、1108、1383、1675，B和C密封圈的特征峰是808、879、1108、1383、1675。初步判断橡胶结构是氟橡胶或改性胶，橡胶材料符合设计要求。
2.4 硬度检测
对A、B、C密封圈进行邵氏硬度检测，使用数显式硬度计，执行JB6148-92标准，结果见表1。
表1：密封圈的邵氏硬度检测结果
2.5 原因分析
A密封圈有5处鼓泡，内圈磨损，鼓泡发生在磨损区和光滑区交界，交界处有多个裂纹，磨损从交界面向磨损区扩展。原始线径约5800 μm，使用后变为5150 μm，压缩率为11.2%。能谱分析显示铁是外来元素，占比约50%，说明铁时从夹套转移到磨损面上。综合以上结果，密封圈失效原因是：①给水泵运行中，密封圈的内圈和冷却夹套的密封沟槽发生摩擦，导致内圈表面粗糙，均匀性降低；②泵盖和冷却夹套的挤压作用下，促使交界处密封圈的拉应力增大，外表面出现斜裂纹，向磨损区扩展形成鼓泡。
B密封圈有2处明显破损，可以观察到小裂纹。原始线径约5600 μm，使用后变为5200 μm，压缩率为7.1%。横向裂纹处取样剖析截面特点，可见一个长条形的裂纹，属于密封圈内部裂纹。综合以上结果，密封圈失效原因是：①密封圈本身存在内部裂纹，导致性能低于设计值；②泵盖和泵壳的挤压作用下，划伤区域先出现裂纹，然后迅速扩展。
3．针对给水泵密封圈性能的改进措施
3.1 改进方法
对密封圈性能进行改进，应根据失效原因采取针对性的措施。例如：高温引起的失效，可以使用全氟橡胶材料制成的密封圈，能提高耐高温性，延长使用寿命。弹簧堵塞引起的失效，可改进密封圈结构，一般改为弹簧外围型即可。冲洗方式引起的失效，将机泵自冲洗水改为纯净脱盐水，并且采用外冲洗模式，即可提升密封圈的质量[3-4]。
3.2 改进效果
本案例中的失效密封圈，根据失效原因采取以下改进措施：①对维修规程进行优化，安装密封圈之前，首先检查外观、质量、保质期等，然后涂抹适量的硅脂，减小密封圈内圈和沟槽之间的摩擦力。②加强库存管理，对内部有裂纹的密封圈进行核实，将所有生产批次报废。③和供货商积极沟通，索赔报废的密封圈，并责令加强生产管理，提高密封圈的性能质量。采取以上措施后，密封圈失效问题解决，主给水泵恢复稳定运行。
4．结语
综上所述，核电机组中主给水泵是一个重要的设备，作用是输送液体并为液体增压。给水泵中的密封圈虽然不起眼，但会影响水泵的正常运行，密封圈失效是造成给水泵故障的常见原因。文章结合实际案例，通过多项检查和测试，分析了密封圈鼓泡和缺损的原因，并制定针对性的改进措施，结果主给水泵恢复稳定运行。希望通过本文，为主给水泵的检修工作提供借鉴，确保密封圈正常工作。
参考文献：
[1]张振兴,张江涛,公茂涛,等.给水泵油封装置O形密封圈的有限元非线性分析[J].液压与气动,2019(5):98-103.
[2]谌丽,吴春潮.1000MW机组汽动给水泵密封水系统改造[J].科技创新与应用,2017(29):44-45.
[3]徐万年,王寅初.岭澳核电站二期APA主给水泵机械密封故障原因分析[J].水泵技术,2018(4):28-31.
[4]张文琢,李明,赵旭光,等.岭澳核电站给水泵机械密封弹簧断裂原因分析[J].通用机械,2017(1):52-55.