核主泵机械密封辅助密封圈受力摩擦性能仿真分析

1　问题背景

某核电厂主泵的三级机械密封是流体动压非接触式密封，盒式组装，每一级密封都按照承受全系统压力。在最近几次大修拆解机械密封过程中，发现机械密封每一级的插入环上均存在与其接触辅助密封圈微动磨损痕迹，痕迹沿插入环周向分布，磨损深度为0.3～1mm。

这种程度的磨损可能会增加辅助密封圈在槽内中的卷曲和扭转变形，若在大变形区，则辅助密封圈阻尼更大，因而加大了摩擦效应。由于卷曲和扭转不确定和不对称特性，可能造成了静环偏斜，引起了动静环密封面间隙不对称，引起了液膜不稳定和破坏了密封效应，最终造成密封压力不稳定泄漏量增大。

2　辅助密封圈与沟槽配对受力有限元分析

2.1　结构说明

本文计算模型为机械密封用辅助密封圈，且为静态接触力学分析，配对副由辅助密封圈（三元乙丙橡胶）、挡圈（PTFE）和沟槽组成。其中，配对副的材料分布均匀且辅助密封圈和挡圈的刚度与沟槽和轴相差较大，几何模型和边界条件均满足轴对称结构，通过有限元软件ABAQUS 建立其二维轴对称模型，其中沟槽与轴设为绝对刚体。

辅助密封圈材料为三元乙丙橡胶（EPDM），由于该材料属于超弹性材料，其应力—应变关系较为复杂，根据其不可压缩特性，本次计算的本构模型采用二参数的“Mooney-Rivlin”模型。其中，PTFE对EPDM摩擦系数取0.04，PTFE对不锈钢摩擦系数取0.04，EPDM对不锈钢摩擦系数取0.12。

2.2　有限元建模说明

对辅助密封圈和挡圈采用结构化网格，其中辅助密封圈的网格数为13922个，挡圈的网格数为2340个。分别建立接触对包括沟槽与辅助密封圈、轴与辅助密封圈、挡圈与轴以及挡圈与沟槽的接触对。根据几何尺寸和实际安装过程，首先模拟挡圈安装过程，将沟槽处施加径向位移并限制轴向的移动；其次，模拟辅助密封圈安装过程，在轴上施加径向位移并限制其轴向移动；最后，在密封侧根据“压力渗透法”施加介质压力。

2.3　结果分析

配对副的Mises应力分布云图，其中压峰值出现在挡圈与沟槽接触区，由于倒角的不连续性而存在应力集中，压力值达到9.4MPa。辅助密封圈内压力分布呈现对称分布，压力峰值出现在靠近挡圈侧。

配对副位移变化分布云图如图１所示，可以发现，辅助密封圈径向变形量最大值出现在与挡圈接触的外径接触区，故容易被挤出；辅助密封圈轴向变形量呈对称分布，由于受到介质压力的影响较大，最大值出现在靠近与挡圈接触的倒角处，存在被挤出的可能；挡圈的刚度较辅助密封圈大，故其变形值可忽略不计。

图1　配对副的位移变化分布云图

配对副的接触压力分布图如图2所示，其中辅助密封圈与轴和沟槽的接触压力分布差别并不大，接触宽度为3.33mm；辅助密封圈与挡圈接触压力呈抛物线分布；挡圈有沟槽的接触压力，由于应力集中存在，使得接触压力峰值极大。

图

（福建福清核电有限公司，福清 350300）

摘　要：国内某核电厂在近几次大修过程中，发现机械密封每一级的插入环上均存在与其接触辅助密封环微动磨损痕迹，这可能是造成机械密封压力不稳定的主要原因。通过对辅助密封圈与配对沟槽的受力有限元计算和辅助密封圈摩擦磨损测试分析，给出了辅助密封圈卡涩原因和润滑不足的边界条件，为解决核电厂主泵机械密封压力不稳定的问题提供了一定指导意义。

关键字：核主泵 机械密封低 辅助密封圈

磨平以作试验使用。

利用砂纸将配副金属表面粗糙度手工打磨至0.4μm，打磨后对其进行超声波清洗、晾干；随后利用布鲁克探针式轮廓仪对表面粗糙度进行多点检测，检测结果可以看到表面粗糙度误差在10%以内，满足试验要求。

3.2　摩擦测试实验条件

利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机对密封圈进行摩擦学测试，试验采用柱面接触。根据试验要求依次探究往复位移、往复频率及润滑工况对橡胶材料摩擦学行为的影响；在法向加载40N条件下，对密封圈在0.2mm、0.5mm以及1mm位移距离下，分别以0.5Hz、1Hz以及4Hz的频率下试验30min。

3.3　测试结果分析

首先，干摩擦条件下，往复频率会对摩擦系数产生影响。干摩擦条件下，当往复位移固定不变时，频率对摩擦系数影响不大；当频率固定不变时，随着往复位移增大摩擦系数逐渐增大近似呈现线性关系。在较小往复位移下，密封圈与金属配副摩擦时处于部分滑移区，在接触区中间部位处于黏着状态，仅在边界处存在微弱滑移，密封圈往复位移仅表现为密封圈在往复滑动方向的粘弹性变形；在大往复位移下，接触区处于滑移区，密封配副间存在较大的摩擦系数；而在中等往复位移下，微动摩擦处于混合区。

其次，脂润滑条件下，往复频率对摩擦系数会产生影响。当往复位移不变时，频率对摩擦系数影响较小；当频率固定不变时，随着往复位移增大，摩擦系数逐渐增大。

最后，滑脂润滑效果评估。为了对润滑脂的润滑效果进行评估，我们统一采用法向载荷40N，不同往复位移，条件频率均为1Hz的试验进行说明。当往复位移较小时，润滑脂减摩效果一般，脂润滑同干摩擦的摩擦系数相差不大，这是因为当往复位移较小时，由于橡胶材料较软，摩擦副接触界面可能并没有产生相对滑动，润滑脂不能起到良好的减摩抗磨作用，如图3所示。图中出现脂润滑摩擦系数略高于干摩擦可能是因为由于摩擦副界面之间无相对滑动，且润滑脂粘度较大，导致摩擦系数增大；当位移逐渐增大时，润滑脂进入到摩擦副之间起到良好的润滑作用，使得脂润滑下摩擦系数明显小于干摩擦条件。

图7　D=1mm润滑脂减摩效果

参考文献

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Simulation of Frictional Performance on Nuclear Main Pump Mechanical Seal Auxiliary Seal

LIU Xing, FEI Dongdong, CAO Yan

(Fujian Fuqing nuclear Power Co.,Ltd., Fuqing 350300)

Abstract: In the recent overhaul process of a nuclear power plant in China, it was found that there are traces of fretting wear on the insert ring of each stage of the mechanical seal contact with the auxiliary seal ring, which may be the main reason for the instability of the mechanical seal pressure. Through the analysis of the finite element calculation of the auxiliary seal ring and the mating groove and the friction and wear test of the auxiliary seal ring, the boundary conditions of the auxiliary seal ring jam and the insufficient lubrication are given, and the mechanical seal pressure of the main pump of the nuclear power plant is not solved. Stable questions provide some guidance.

Key words: nuclear main pump, low mechanical seal, auxiliary seal