用于轴密封系统的填料密封件密封件的活性表面

摘要

本发明涉及一种用于密封核反应堆的主电机驱动泵单元的轴(7)，以确保所述主回路(8)与大气(9)之间的密封的系统(4)的填料密封件(1)，所述填料密封件(1)包括旋转活性表面(10)和浮动活性表面(11)，其中浮动活性表面(11)和/或旋转活性表面(10)的表面(12)由一排孔或柱(14)微或纳构造，每个孔或柱(14)均具有在10nm与5μm之间的横向尺寸和高度，两个连续孔或柱之间的距离在10nm与5μm之间。

说明书

技术领域

本发明的领域是用于压水核反应堆(PWR)的主电机驱动泵单元。更具 体地，本发明涉及主电机驱动泵单元的主机械填料密封件的冰，也被称为活 性表面。

背景技术

在核反应堆中，主泵在压水核反应堆的主回路中产生水循环。用于密封 轴的动力系统提供在主回路与大气之间的密封件。用于密封该轴的该系统是 具有受控泄漏的系统。其包括三个串联设置的密封件。每个密封件均包括两 个提供主密封件的活性表面。被称为旋转活性表面的活性表面中的一个安装 在与该轴一体的旋转单元中，被称为浮动的另一个活性表面安装在一单元 中，所述单元不旋转但沿着轴向自由地被替代以跟随该轴的可能的轴向替 代。

第一密封件在主回路与大气之间提供大部分的压力下降。其是流体静力 学类型，具有厚度大约为10μm的水膜。提供主密封件的活性表面的表面的 特定几何形状使得当停止和当旋转时可自动调节仅仅取决于密封件的ΔP 的他们的分离。该活性表面最初由铝制成，但它们逐渐由更抗摩擦的氮化硅 制成。

使用在其活性表面上的特定的仿形铣床，密封件1在运行过程中以大约 600l/h的受控泄漏率运行。其使得可从155巴的压力穿到大约2巴的压力。

然而，在现有技术的第一密封件中，观察到氧化铁的大量沉积粘附活性 表面并改变这些表面的倾斜度，这导致泄漏率的改变。

在2012的《Hem.Ind.》中GregoryLefèvre、LjiljanaS、Zivkovic和 AnneJaubertie的文献“铁矿粉颗粒在核反应堆冷却剂泵实验室试验和行业 反馈的铝密封件面板上的沉淀”解释了该粘附现象是由于以两个步骤的现 象：

-颗粒通过水动力、电泳和热泳现象从溶液移动到活性表面；以及

-然后它们经由物理化学相互作用粘附到密封表面。在现有技术中，这 些相互作用被认为极大地是因为铁矿粉颗粒带正电荷而活性表面的表面带 负电荷的事实。

为了克服该问题，文献US7,287,756建议向活性表面的表面添加催化 剂。该催化剂更优选地是以下化合物的一种或混合物：铼、钌、铑、钯、银、 锇、铱、铂和金。根据文献US7,287,756，铁以FeOOH(针铁矿)或Fe²⁺离 子的形式存在于溶液中。该针铁矿将沉积在填料密封件的表面上。同样，Fe²⁺离子由氧气氧化成将沉淀和加强该沉淀物的Fe³⁺离子。该沉淀物然后变成铁 矿粉(Fe₂O₃)。催化剂的使用使得可游离所出现的氢，因此减少化学势、 阻止Fe²⁺离子的氧化并减少在Fe²⁺中出现的Fe³⁺离子，因此阻止氧化物沉淀 的发生。

申请人已经识别了用于在活性表面的表面上形成氧化物沉淀的另一机 制。我们因此提出了考虑该形成机制的方案。

发明内容

本发明目的在于通过提出一种有效的方案来克服现有技术的缺点，该方 案用于阻止用于密封核反应堆的主电机驱动泵单元的轴的系统的第一密封 件的活性表面的粘附。

为此，本发明提出了活性表面的表面的结构，以此在小于颗粒的活性表 面的表面上生成凹凸，所述颗粒可能连接到活性表面的表面以形成粘附。该 构造目的在于限制连接的点，以阻止这些颗粒固定在活性表面的表面上。

更具体地，本发明提出一种用于密封反应堆的主电机驱动泵单元的轴的 系统的填料密封件的活性表面，以在主回路与大气之间提供密封件，该活性 表面具有由一排凹凸构造的至少一个表面，每个凹凸均具有在10nm与5μm 之间的横向尺寸，每个凹凸均具有在10nm与5μm之间的高度，在两个连 续的凹凸之间的距离是在10nm与5μm之间。

构造活性表面的表面以具有带有此尺寸的凹凸，使得可在活性表面的表 面上具有小于Fe₂O₃的颗粒的凹凸，并因此减少这些颗粒的连接的点。实际 上，与现有技术的文献中所描述的连接现象相反，我们的试验已经显示铁矿 粉的颗粒没有直接连接到活性表面的表面，但他们连接到本身吸附在活性表 面的表面处的Fe²⁺离子。实际上，Fe²⁺离子通过负表面和活性表面的电子的 供体被吸附。Fe²⁺是路易斯酸，其与在活性表面的表面上出现的含氧基团反 应，并可反过来与具有强电子供体组分的胶体的或微粒的Fe₂O₃反应。Fe²⁺离子可以然后被吸附在铁矿粉的颗粒的表面上并继续导致活性表面粘附的 链式反应。因此，为了阻止该粘附，申请人提出阻止Fe₂O₃颗粒连接到在活 性表面的表面上的Fe²⁺。

根据本发明的活性表面也可以具有一个或多个在以下单独获得的或以 任何技术可容许的组合获得的特征。

凹凸可以是孔或柱。

当凹凸是孔时，孔的高度被称为其深度。当凹凸是柱时，对应于其高度 与其横向尺寸的比值的柱的形状系数必须更优选地少于2，以阻止腐蚀现象。

根据本发明的活性表面可以是填料密封件的旋转活性表面或浮动活性 表面。

有利地，将与水膜接触的活性表面的整个表面被构造。

凹凸可以是纳米量级的凹凸。在这种情况下，凹凸更优选地具有在10nm 与1μm之间的横向尺寸以及在10nm至1μm之间的高度。两个连续凹凸之 间的距离优选地在10nm与1μm之间。

实际上，能够连接到在活性表面的表面上的Fe²⁺的颗粒通常具有50nm 与5μm之间的尺寸，其优选地具有尺寸在10％与50％之间以及更优选地在 Fe₂O₃颗粒的大小的大约20％至30％的凹凸，以尽可能阻止Fe₂O₃颗粒在活 性表面的表面上的连接。

凹凸也可以是微米级凹凸。在这种情况下，凹凸更优选地具有在1μm 与5μm之间的横向尺寸以及在1μm和5μm之间的高度。两个连续凹凸之 间的距离优选地在1μm与5μm之间。

凹凸的排列更优选地是规则的，即其包括可以规则地复制的图案，其有 利于凹凸的排列的控制。

根据一个实施例，凹凸更优选地具有相同的尺寸，在两个连续凹凸之间 的距离总是优选地是相同的，其有利于凹凸的排列的制造。

根据优选的实施例，活性表面的表面通过横向尺寸和高度在500nm与 5μm之间以及优选地在1μm与2μm之间的一排微米级凹凸分层地微米构 造和纳米构造，在两个微米级凹凸之间的距离在500nm与5μm之间以及优 选地在1μm与2μm之间。这些微米级凹凸通过横向尺寸和高度在10nm与 200nm之间以及优选地在50nm与100nm之间的纳米量级的凹凸所构造。 两个相邻凹凸之间的距离优选地在10nm与200nm之间。以纳米量级和 测微量级的该双重构造使得可进一步减少可能形成沉淀的颗粒的连接。

纳米量级的凹凸可以是孔或柱。

微米级凹凸可以是孔或柱。

密封件的活性表面更优选地由氮化硅制成。

本发明的另一方面也涉及一种阻止用于密封核反应堆的主电机驱动泵 的轴的系统的填料密封件的活性表面粘附的保护方法，包括构造活性表面的 表面以在活性表面的表面上进行凹凸的排列的步骤。每个凹凸具有在10nm 与5μm之间的横向尺寸和在10nm与5μm之间的高度，两个连续凹凸之间 的距离在10nm与5μm之间。

凹凸可以是孔或柱。

当凹凸是柱时，他们更优选地具有小于2的形状系数以阻止腐蚀现象。

根据不同的实施例，纳米构造或微构造的该步骤可以根据以下进行：

-通过微米级光刻或纳米级光刻、电子束光刻、X射线光刻、深紫外线 光刻技术、纳米压印光刻和干涉光刻经由聚焦离子束、激光划线或经由扫描 探针显微镜的自上而下方法。这些步骤可以包括干法刻蚀或湿法刻蚀步骤。

-在其过程中微米级物体或纳米级物体(球体、纳米颗粒、自组装块状 共聚物)的罩可以使用来经由湿法刻蚀、干法刻蚀或激光刻蚀在基底中复制 凹凸的自下而上的方法(纳米球或胶体光刻)。

该方法也可以包括以下步骤的一个或多个：

-减少微米级物体或纳米级物体的大小的步骤；

-使用作罩的层沉淀在微米级物体或纳米级物体上以及在微米级物体 或纳米级物体之间的非覆盖基底上的步骤；

-移除微米级物体或纳米级物体、在基底上留下罩并在由微米级物体或 纳米级物体的压印所形成的罩中形成一排孔的步骤；以及

-通过纳米级物体的压印进行刻蚀并移除罩的步骤。

该方法还包括沉淀阻止在活性表面的表面上粘附的保护层的步骤。该保 护层更优选地由SiC、TiN、CrN、Ni或微米级金刚石或纳米晶体金刚石制 成。在这种情况下，微米构造或纳米构造的保护层时更优选的。

附图说明

通过阅读以下详细描述参考附图本发明的其它特点和优点将获得，其显 示：

图1是根据本发明的实施例的用于密封轴的系统的剖视图；

图2是根据本发明的第一密封件的图解视图；

图3图解地显示活性表面的密封件粘附的现象；

图4图解地显示在根据本发明的实施例的活性表面的密封件的表面上 以及在活性表面的扁平表面上的颗粒的连接；

图5图解地显示根据本发明的实施例的两种方法；

图6图解地显示根据本发明的实施例的活性表面的表面；

图7图解地显示根据本发明的另一实施例的活性表面的表面；以及

图8图解地显示根据本发明的另一实施例的活性表面。

为了提高清晰度，在整个附图中相同的或类似的元件使用相同的附图表 面标记。

具体实施方式

图1显示用于核反应堆的主电机驱动泵单元的轴4的机械填料密封件的 系统。该用于密封轴的系统包括在附图中标记为1的第一密封件、在附图中 标记为2的第二密封件以及在附图中标记为3的第三密封件。密封件1，2， 3各自包括与轴7和浮动活性表面一体的旋转活性表面，所述浮动活性表面 可跟随轴7的轴向位移，但不旋转。

第一密封件在图2中更准确地显示。第一密封件在主回路8与大气9之 间提供大部分压降。第一密封件是流体静力类型的，具有厚度大约10μm的 水膜。该第一密封件包括与轴7和浮动活性表面11一体的旋转活性表面10， 所述浮动活性表面11可以跟随轴7的轴向位移。第一密封件的泄漏率由浮 动活性表面11的两倍斜率或由旋转活性表面10和浮动活性表面11的斜率 所确定。活性表面由氮化硅Si₃N₄制成。

图3解释了在本发明特征中不存在的活性表面10，11的粘附的过程。 水在活性表面10,11之间循环。该水提供优先地被吸附在Si₃N₄中的活性表 面的表面处的Fe²⁺离子。Fe²⁺是路易斯酸，其与在活性表面的表面上出现的 含氧基团反应，并可反过来与具有强电子供体组分的胶体的或微粒的Fe₂O₃反应。Fe²⁺离子可以然后被吸附在铁矿粉的颗粒的表面上并继续导致活性表 面粘附的链式反应。

为了阻止该粘附过程，参见图4，每一个活性表面10,11的表面12的构 造方式避免了在活性表面的表面上的凹凸14，所述凹凸14的尺寸在Fe₂O₃颗粒尺寸的10％与50％之间。因此，活性表面的表面由一排可以是孔或柱的 凹凸14构造。

当凹凸14是孔时，每个孔具有在10nm与5μm之间的横向尺寸和从 10nm至5μm的高度，在两个连续孔之间的距离在10nm与5μm之间。

当凹凸是柱时，每个柱均具有10nm与5μm之间的横向尺寸和10nm 至5μm之间的高度。形状系数，即高度与横向尺寸的比值，更优选地小于 2，以阻止腐蚀现象。两个连续柱之间的距离在10nm与5μm之间。

这样，即使Fe²⁺离子被吸附在活性表面的表面上，Fe₂O₃颗粒在活性表 面的表面上的连接于是相对于一平的表面由活性表面的表面粗糙度所限制， 从而阻止活性表面的粘附。

活性表面的表面的构造可以通过不同方法来进行。

根据一实施例，该构造是可以根据自下而上方法，例如通过使用纳米球 刻蚀的方法，来进行的纳米构造。

同样，图5显示一纳米球刻蚀(NSL)方法，该方法使得可在活性表面 的表面上获得一排孔或一排柱。纳米球蚀刻是基于在一基底的表面上的单分 散的微球或纳米球(例如聚苯乙烯)的自组装，以形成两个维度的罩。该方 法首先包括将微球或纳米球沉淀在活性表面的表面上的步骤101。用于沉淀 悬浮球的方法是各种各样的：具体提到的可以为旋涂法、朗缪尔-布洛杰 特法或浸涂法。该方法然后包括通过反应离子蚀刻来减少球的尺寸的步骤 102。

当待制造的凹凸是柱时，该方法然后包括通过由球所形成的罩蚀刻活性 表面的表面，以在每一个活性表面的表面上进行柱的排列的步骤103。该方 法然后包括下压球的步骤104。

当待制造的凹凸是孔时，该方法包括将例如一层铬沉淀在尺寸减小的一 排球上的步骤103a。该方法然后包括下压球的步骤103b。该方法然后包括 通过球(未示出)的压印进行蚀刻的步骤。最后，该方法包括下压铬罩以形 成一排孔的步骤104。

图6示意性地显示根据本发明一实施例在一个活性表面的表面上的一 排凹凸14。在该实施例中，该凹凸是孔13。孔13具有在10nm与5μm之 间的横向尺寸D1。孔13具有在10nm与5μm之间的高度H1。两个相邻的 孔13以10nm与5μm之间的距离D2相间隔。

图7示意性地显示根据本发明的另一实施例的在一个活性表面的表面 上的一排凹凸。在该实施例中，该凹凸14是柱15。柱15具有在10nm与 5μm之间的横向尺寸D4。柱15具有在10nm与5μm之间的高度H2。两 个相邻的柱15以10nm与5μm之间的距离D3相间隔。这些柱的高度H2 优选限制为比值H2/D4小于2，以防止腐蚀现象。

图8示意性地显示根据本发明的另一实施例的活性表面的表面。在该实 施例中，每一个活性表面的表面均具有双构造：同样，每一个活性表面的表 面均由一排微米级凹凸所微构造。在该实施例中，该微米级的凹凸是柱17。 柱17具有在500nm与5μm之间的横向尺寸D6。柱17具有在500nm与5 μm之间的高度H3。柱17以具有500nm与5μm之间的横向尺寸D5的间 隔16相间隔。而且，柱17优选具有小于2更优选为小于1的高度H3与横 向尺寸D6的比值，以限制腐蚀的问题。活性表面的表面可以例如通过光刻 方法来微构造。

活性表面的表面进一步由一排纳米级凹凸22所纳米构造。在该实施例 中，纳米级的凹凸22是类似于参考图7所描述的那些的柱。纳米构造的表 面出现在柱17之间的间隔的底部21处，更优选也在柱17的空白19上。柱 的底部21和空白19的上表面20的此纳米构造可以通过使用由阴极溅射形 成的纳米颗粒来覆盖纳米构造的活性表面的表面来进行。活性表面的表面必 须倾斜和旋转，以能够将颗粒沉淀在柱17的空白19上。活性表面的表面然 后通过高压反应离子蚀刻，以进行等向性蚀刻。定位在柱上的纳米级颗粒然 后被移除。

自然地，本发明不受限于参考附图所描绘的实施例，可考虑可替代物， 而不背离本发明的范围。使用来进行孔或柱的微米构造或纳米构造的排列的 方法可以是除了参考图5所描述的那种方法外的方法，例如自上而下的方 法，例如，电子束光刻、X射线光刻、聚焦离子束光刻、纳米压印光刻和干 涉光刻。微米级的或纳米级的孔或柱的排列可以根据例如通过使用有机的或 不是有机的微米级物体或纳米级物体的罩以实施纳米球光刻法或胶体光刻 法的自下而上的方法进行，或根据通过使用成块共聚物的组装以例如经由湿 法蚀刻、干法蚀刻或激光蚀刻来将图案传送到活性表面的表面中的光刻法来 进行。具体地，激光可以通过SiO₂球聚焦，其在球的位置处在活性表面的 表面中创建一孔。此外，进行孔或柱的排列的方法也可以包括附加步骤，例 如，在球的顶部沉淀另一层、球的移除和通过他们的压印进行的蚀刻。

此外，活性表面的表面也可以涂覆有保护层，所述保护层使得可阻止 Fe²⁺离子被吸附在活性表面的表面上。在该情况下，活性表面的表面在微构 造或纳米构造的步骤之前优选地涂覆有保护层。该保护层优选地由碳化硅 (SiC)、氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN的)、镍(Ni)或微米级金刚石或 纳米金刚石制成。