本发明涉及一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构，属于核电装备制造领域。
背景技术
核电站反应堆冷却剂主循环泵简称核主泵，是核岛中关键的连续转动设备，其功能是驱动核岛内高温高压高放射性冷却剂循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电。核主泵机械密封系统由三套串联的流体静压机械密封或流体动压机械密封构成，作为反应堆冷却剂系统的防护屏障，主要功能是在各种工况下控制冷却剂沿核主泵泵轴向外泄漏，通过可控制的泄漏率将核主泵系统的高温高压条件降低到环境条件，防止放射性物质释放。
具有轴向补偿能力的密封环与轴套之间的副密封及其配副是核主泵机械密封系统中除端面密封的另一重要部件，一方面要保证冷却剂在温度120℃、压力16.0mpa下密封，另一方面要允许补偿环具有轴向和周向自由度，以补偿密封端面的振动与偏摆，保证端面密封的追随性，同时要能承受突然断电等瞬态工况，阻止冷却剂泄露。目前核主泵机械密封系统的副密封及其配副包括橡胶o形圈和聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈构成的副密封，及具有碳化铬表面涂层的不锈钢轴套构成的副密封配副。橡胶o形圈具有高弹性，可补偿和吸收因外界振动及启停时引起的密封端面的倾斜和轴的摆动，保证角振动和轴向振动保持在较低值，通过其自身的初始压缩量以及冷却剂压力作用所产生的变形起到密封作用，同时聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈与不锈钢轴套配副表面接触可降低摩擦阻力，保证机械密封系统的追随性。
但是，双δ通道密封圈所用的聚四氟乙烯复合材料抗蠕变性能差，易冷流，且耐辐照性能有限，在高温高压高放射性中易产生永久变形和辐照老化，特别是在水作为冷却剂的润滑下耐磨性能差。聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈与不锈钢轴套配副间可能出现相对静止、部分滑移、不连续滑移和完全滑移等复杂的微动接触状态，引起聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈和不锈钢轴套配副的过度磨损和破坏，导致整个机械密封系统的失效，危及机械密封稳定运行。1982年，美国电力研究协会的“main-coolantpumpshaftsealreliabilityinvestigation”报告对美国商用核电站的机械密封系统失效模式进行了总结，其中90％的轴套与副密封接触部位发生过度磨损和破坏，50％的副密封由于过压挤出和磨损而发生破坏。1987年，印度核电站使用的核主泵机械密封的失效分析发现，聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈存在严重的挤压变形和磨损减薄，造成o形圈剥层磨损破坏，导致机械密封发生泄漏。我国核电站核主泵机械密封系统发生的泄漏流量异常，现场检查维修发现轴套与副密封接触部位表面发生了异常磨损。2016年，美国西屋公司的“developmentsinreactorcoolantpumpsealenhancementsincludingpost-fukushimasolutions”报告指出，核反应堆冷却剂泵密封组件通常会出现双δ通道密封圈的严重磨损和一级密封插入件对偶面的微动磨损，通过选择双δ通道密封圈材料和适当的副密封配副，优化耐磨减摩的副密封设计。
因此，优选具有耐磨减摩抗辐照老化特性的核主泵机械密封副密封及其配副，用于核主泵机械密封制造，以满足核主泵高温高压高放射性使役环境需求，可有效延长核主泵机械密封寿命，减少维修频率，节约运行成本，同时有望缓解装配事故造成的装填燃料断电延期等问题。
技术实现要素：
本发明的目的和任务是：针对核主泵机械密封副密封的聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈抗蠕变性能差，易冷流，且耐辐照性能有限，在高温高压高放射性中易产生永久变形和辐照老化，特别是在水作为冷却剂的润滑下耐磨性能差，引起聚四氟乙烯复合材料双δ通道密封圈和不锈钢轴套配副的过度磨损和破坏，无法满足核主泵高温高压高放射性水中高可靠性和长时间使役要求。本发明涉及一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构，包括三元乙丙橡胶o形圈和聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈构成的副密封，及表面硬化的不锈钢轴套构成的副密封配副。聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈与具有强韧性匹配的表面硬化层的不锈钢轴套副密封配副在高温高压高放射性水环境中具有低摩擦系数和高耐磨性，保证核主泵机械密封系统的追随性；聚芳醚树脂基复合材料具有高强高模、不易蠕变、耐高温、抗辐照等性能，避免长时间使役过程中双δ通道密封圈老化失效而引起的泄露。
本发明采用的技术方案是：一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封的副密封结构，包括三元乙丙橡胶o形圈、双δ通道密封圈和轴套表面硬化层，所述三元乙丙橡胶o形圈与双δ通道密封圈之间构成副密封，双δ通道密封圈与轴套表面硬化层之间构成副密封配副；所述双δ通道密封圈采用聚芳醚树脂基复合材料，基体分别为聚醚醚酮、聚醚酮或聚醚酮酮等热塑性树脂，固体润滑剂分别为石墨、碳纳米管或石墨烯，石墨含量为10-30wt.％，碳纳米管含量为0.1-2.0wt.％，石墨烯含量为0.1-1.0wt.％，采用热塑模压成型制备；所述轴套表面硬化层采用强流脉冲离子束辐照改性的热喷涂wc-ni硬质合金涂层、高功率脉冲磁控溅射沉积的碳氮化铬涂层或等离子体低温渗氮制备的渗氮层，所述wc-ni硬质合金涂层：ni含量为5-10wt.％，硬度为10-15gpa，厚度为100-300μm；所述碳氮化铬涂层：结构为纳米晶cr(c,n)/非晶c(n)复合，硬度为20-30gpa，厚度为10-50μm；所述渗氮层：n含量为20-30at.％，硬度为10-15gpa，厚度为10-30μm；所述副密封配副：在温度70-120℃、压力0-16mpa、累积辐射剂量100-150kgy水中具有稳定的摩擦系数0.005-0.03、比磨损率0.5×10-8-8.0×10-7mm3/nm。
本发明的有益效果是：这种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封的副密封结构包括三元乙丙橡胶o形圈、双δ通道密封圈和轴套表面硬化层，三元乙丙橡胶o形圈与双δ通道密封圈之间构成副密封，双δ通道密封圈与轴套表面硬化层之间构成副密封配副。聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈与具有强韧性匹配的表面硬化层的不锈钢轴套副密封配副在高温高压高放射性水环境中具有低摩擦系数和高耐磨性，保证了机械密封系统的追随性。聚芳醚类树脂基复合材料双δ通道密封圈具有高强高模、不易蠕变、抗辐照老化特性，可阻止在冷却剂高压条件和补偿环轴向偏移时受单侧静压力和摩擦力的合力作用下副密封产生受力不均而造成的变形挤出，在轴偏斜和振动时也可保证副密封与轴套的紧密贴合，避免了长时间使役过程中双δ通道密封圈老化失效而引起的泄露，保证了机械密封系统的可靠性。提供的一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构，在高温高压高放射性水中具有高可靠性和长使役寿命，适用于核主泵流体静压机械密封和流体动压机械密封制造。
附图说明
图1是核主泵机械密封结构示意图。
图2是一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构示意图。
图中：1、轴套，2、补偿环，3、补偿环座，4、三元乙丙橡胶o形圈，5、双δ通道密封圈，6、轴套表面硬化层，7、非补偿环，8、非补偿环座，9、泵轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的细节。
实施例1：
如图2所示，这种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构包括三元乙丙橡胶o形圈(4)和聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)构成的副密封，与具有轴套表面硬化层(6)的马氏体沉淀硬化不锈钢轴套(1)副密封配副，三元乙丙橡胶o形圈(4)和聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)置于机械密封补偿环座(3)凹槽内，三元乙丙橡胶o形圈(4)受机械密封补偿环座(3)挤压给予聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)足够的预紧力，使聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)与马氏体沉淀硬化不锈钢轴套(1)的轴套表面硬化层(6)紧密贴合。
聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)基体为聚醚醚酮树脂，固体润滑剂为石墨，石墨含量为30wt.％，采用热塑模压成型制备。
马氏体沉淀硬化不锈钢轴套(1)的轴套表面硬化层(6)为wc-ni硬质合金涂层，ni含量为8wt.％，厚度为200μm，采用强流脉冲离子束辐照改性的热喷涂wc-ni硬质合金涂层制备。
聚醚醚酮复合材料双δ通道密封圈与具有wc-ni硬质合金涂层的不锈钢轴套副密封配副，在温度100℃、压力15mpa、累积辐射剂量120kgy水中，摩擦系数为0.012-0.020，聚醚醚酮复合材料的比磨损率为1.4-4.8×10-7mm3/nm，wc-ni硬质合金涂层的比磨损率为2.2-7.5×10-8mm3/nm。
实施例2：
与实施例1公开的一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构相比，本实施例的区别在于，聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)基体为聚醚酮树脂，固体润滑剂为碳纳米管，碳纳米管含量为2.0wt.％，采用热塑模压成型制备。
马氏体沉淀硬化不锈钢轴套(1)的轴套表面硬化层(6)为碳氮化铬涂层，碳氮化铬涂层为纳米晶cr(c,n)/非晶c(n)复合结构，硬度为25gpa，厚度为30μm，采用高功率脉冲磁控溅射沉积制备。
聚醚酮复合材料双δ通道密封圈与具有碳氮化铬涂层的不锈钢轴套副密封配副，在温度120℃、压力16mpa、累积辐射剂量100kgy水中，摩擦系数为0.009-0.029，聚醚酮复合材料的比磨损率为2.2-7.5×10-7mm3/nm，碳氮化铬涂层的比磨损率为1.3-5.5×10-8mm3/nm。
实施例3：
与实施例1和2公开的一种耐磨减摩抗辐照老化的核主泵机械密封副密封结构相比，本实施例的区别在于，聚芳醚树脂基复合材料双δ通道密封圈(5)基体为聚醚酮酮树脂，固体润滑剂为石墨烯，石墨烯含量为1.0wt.％，采用热塑模压成型制备。
马氏体沉淀硬化不锈钢轴套(1)的轴套表面硬化层(6)为渗氮层，n含量为30at.％，硬度为15gpa，厚度为30μm，采用等离子体低温渗氮制备。
聚醚酮酮复合材料双δ通道密封圈与具有碳氮化铬涂层的不锈钢轴套副密封配副，在温度110℃、压力15.5mpa、累积辐射剂量110kgy水中，摩擦系数为0.007-0.022，聚醚酮酮复合材料的比磨损率为1.6-4.9×10-7mm3/nm，碳氮化铬涂层的比磨损率为0.8-3.1×10-8mm3/nm。