田灣核電站絕熱工程應(yīng)用分析

李會義　周禮

摘 要：在核電站正常運行工況下，工藝系統(tǒng)管道與設(shè)備的絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計對其熱運行效率來說具有重要的意義。文章介紹了田灣核電站俄羅斯設(shè)計的主要系統(tǒng)與設(shè)備的絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、應(yīng)用種類、材料選擇等特點，與國內(nèi)同類比較，分析其優(yōu)缺，以及運行后各結(jié)構(gòu)保溫層出現(xiàn)的一些問題。

關(guān)鍵詞：絕熱結(jié)構(gòu)；保溫結(jié)構(gòu)；保冷結(jié)構(gòu)；絕熱層

1 概況

田灣核電站一期絕熱工程是由俄羅斯圣彼得堡原子能研究設(shè)計院（簡稱SPAEP）、俄羅斯OKB水壓機設(shè)計院（簡稱OKB）等進行設(shè)計的；中核工業(yè)第二研究設(shè)計院、國家電力公司東北電力設(shè)計院參與了部分設(shè)計工作。其范圍包括每臺機組的核島部分和常規(guī)島部分中所有廠房需要絕熱的系統(tǒng)管道與設(shè)備。核島部分設(shè)計要求絕熱的有43個工藝系統(tǒng)，其反應(yīng)堆廠房內(nèi)的一回路主管道與主設(shè)備的保溫盒由俄羅斯承包商負責(zé)設(shè)計與制造；常規(guī)島部分設(shè)計絕熱的工藝系統(tǒng)共有38個，其中，汽輪機本機的保溫結(jié)構(gòu)是由俄羅斯列寧格勒金屬制造股份有限公司（簡稱LMZ）進行設(shè)計的。因此，每臺機組共有八十余個工藝系統(tǒng)的管道與設(shè)備進行了絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與安裝。

絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計可分為保溫結(jié)構(gòu)和保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分。每臺機組設(shè)計要求絕熱的大部分工藝系統(tǒng)管道與設(shè)備采用的保溫結(jié)構(gòu)，它是由保溫層和保護層為主要結(jié)構(gòu)，與其支承、固定的輔助材料形成統(tǒng)一的表面保護實體，保溫層是由具有較小導(dǎo)熱系數(shù)、容重等絕熱特性的材料組成；保護層是利用保護材料的強度、韌性和致密性等特點，保護保溫層免受外力和水汽的侵襲，達到延長保溫層的使用年限的目的，并且作為表面工程的一個組成部分，使整體保溫結(jié)構(gòu)不僅具有絕熱的功效，其外表面還具有整潔、美觀大方的裝飾作用。

保冷結(jié)構(gòu)是由保冷層、密封防潮層、保護層組成的絕熱結(jié)構(gòu)形式。其作用是為了減少和控制冷量損失與防止外表面凝露。密封防潮層是一層搭接適度，厚薄均勻，完整嚴密，無氣孔、無鼓泡、無開裂等缺陷的，具有阻燃、防水、防蒸汽滲透及抗老化性能材料構(gòu)成的嚴密實物層；它是決定保冷層絕熱效果是否良好的重要一層。保冷結(jié)構(gòu)的其它結(jié)構(gòu)層與保溫結(jié)構(gòu)的基本相同，但隨著新型材料的應(yīng)用，保冷結(jié)構(gòu)也從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，向簡易化轉(zhuǎn)變。

2 絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

就設(shè)計絕熱結(jié)構(gòu)的基本原則而言，中、俄兩國的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)大同小異。俄羅斯SPAEP根據(jù)《核動力裝置的設(shè)置和設(shè)備及管道的安全運行規(guī)程》（ПН АЭГ-7-008-89）和《熱電站與核電站管道和設(shè)備保溫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（HP34-70-118-87）中的有關(guān)要求為基準(zhǔn)。從溫度角度對設(shè)計保溫結(jié)構(gòu)進行了主要規(guī)定：新建、擴建和改建的核電站設(shè)備與管道的介質(zhì)溫度從45℃～500℃，熱電站從45℃～650℃都必須進行保溫設(shè)計。在操作間或接近性受限制房間內(nèi)，保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不得超過45℃；在接近性受限制的房間內(nèi)和室外，介質(zhì)溫度高于60℃的必須設(shè)計保溫層，并且保溫層外表面不得超過60℃。這與中國的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則相比較只是保溫設(shè)計要求的起點溫度不同而矣，其它的技術(shù)要求（如防燙傷溫度、外表熱流密度標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境參考基準(zhǔn)溫度等）都相一致。設(shè)計保冷結(jié)構(gòu)的基本原則，二者是相同的。

3 絕熱材料的分析

一期兩臺機組選用的絕熱材料按產(chǎn)地可分為兩大類，一部分為俄供保溫材料，包括俄供可拆卸保溫盒、俄供褥狀超細玻璃絲棉縫氈、俄供褥狀玄武巖棉縫氈，主要應(yīng)用于反應(yīng)堆廠房、蒸汽間、汽輪機本機；另一部分為國內(nèi)保溫材料，包括褥狀超細玻璃絲棉縫氈、超輕硅酸鋁甩絲棉毯與發(fā)泡橡塑管殼（或板材），主要用于除俄供保溫材料應(yīng)用以外的其他核島和常規(guī)島廠房內(nèi)需要絕熱的工藝系統(tǒng)管道與設(shè)備。

在機組控制區(qū)內(nèi)，俄方在保溫層選材時，考慮到材料在具有不同放射性運行條件下的長期使用，防止污染擴散，保溫層的重復(fù)拆裝快捷，避免人員受照時間過長等使用特性。根據(jù)此特性原則的要求，對控制區(qū)內(nèi)的保溫層材料采用一種外裹玻璃布的褥狀超細保溫棉縫合氈產(chǎn)品，即在每塊保溫棉毯的四周各個側(cè)面用具有一定致密性和強度的玻璃絲布嚴密包裹起來，再用規(guī)定的玻璃纖維縫紉線縫合。保溫棉毯材料外裹玻璃絲布的設(shè)置是絕熱結(jié)構(gòu)中保證保溫層完整性、保溫性、獨立保護性和防止放射性污染擴散的關(guān)鍵性一道屏障。

3.1 俄供保溫材料應(yīng)用中的問題分析

在機組控制區(qū)廠房內(nèi)工藝系統(tǒng)管道與設(shè)備的保溫維修過程中，我們發(fā)現(xiàn)諸多俄供保溫材料自身問題而引起的施工技術(shù)難點。

原俄供褥狀保溫棉氈厚度不足，安裝壓縮比較大。在實際現(xiàn)場施工過程中，因俄供材料的實物厚度與其隨箱資料標(biāo)定的厚度有很大差距，如合格證上標(biāo)明為70mm厚的材料，現(xiàn)場實際測量厚度只有30mm～40mm。為了保證原設(shè)計的保溫安裝厚度要求，不得不反復(fù)的確認保溫材料的規(guī)格而選用。

俄供棉毯（KT-11）中渣球含量偏高，棉絲粗細不均，易斷裂。從絲棉外觀上比較，俄供棉毯的渣球含量明顯比國內(nèi)同類的材料含量多；棉纖維絲粗細不均，短粗硬脆，極易造成保溫棉松散下墜，直接影響保溫效果和后續(xù)維修工作。

外裹玻璃纖維布的線密度較稀，經(jīng)安裝后易漏棉脫絲掉渣。纖維棉經(jīng)捆扎壓縮后產(chǎn)生的脫絲斷渣，拆卸保溫層后易形成粉塵，污染環(huán)境；人員進入廠房也會受到相應(yīng)的傷害。這種材料應(yīng)用于機組的高放射性反應(yīng)堆廠房內(nèi)，運行后的在役檢查和維修時，給拆裝保溫層的維修人員帶來了極大不便。

3.2 國內(nèi)保溫材料的技術(shù)特性

在機組運行后的維修過程中，考慮到俄供保溫材料的采購周期過長、成本過高的等因素，在2007年我們實施了國產(chǎn)保溫棉替代工作。對于替代工作，俄方提出了高度的質(zhì)疑，因俄供保溫材料雖然存在著諸多不足，可俄方同類材料在俄國內(nèi)核電站已有運行幾十年的使用經(jīng)驗，而中方的部分材料在核電站的應(yīng)用仍需經(jīng)受運行后實際工況條件的驗證。

考慮到國內(nèi)保溫棉制品均沒有在核設(shè)施應(yīng)用40年而確保材料穩(wěn)定的經(jīng)驗，我們委托設(shè)計院采用保守的設(shè)計原則，在各項技術(shù)指標(biāo)均接近或率高于俄供材料的基礎(chǔ)上選擇國產(chǎn)保溫棉制品。經(jīng)過多方調(diào)研、對比、分析，最終選定以歐文斯的玻璃棉，配合中材集團的高強度玻璃絲布，替代俄供控制區(qū)保溫層材料。經(jīng)3年的實際應(yīng)用，此種保溫材料制品不僅具備了俄供保溫層材料的各項優(yōu)點，同時達到了我們預(yù)期替代的目的，完全滿足維修工作的需求。endprint

4 絕熱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

按照俄羅斯《熱電站與核電站管道和設(shè)備保溫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（HP34-70-118-87）中的絕熱結(jié)構(gòu)總體要求及其特殊規(guī)定。在非操作間內(nèi)，設(shè)備與管道外壁上的絕熱層允許采用永久性保溫結(jié)構(gòu)。而在主循環(huán)管道與設(shè)備上其全部長度范圍內(nèi)和其它在役檢查時需要進行檢測的地方，絕熱層都要求做成快速可拆卸式的保溫結(jié)構(gòu)。

由于絕熱結(jié)構(gòu)是由不同的絕熱材料和施工方法組合在一起的設(shè)計結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)根據(jù)絕熱層與保護層的不同材料與組合形式，分析一期兩臺機組中設(shè)計應(yīng)用的幾種絕熱結(jié)構(gòu)類型。

4.1 俄供雙壁保溫盒式結(jié)構(gòu)

田灣核電站兩臺機組反應(yīng)堆廠房中的一回路主要設(shè)備與主管道的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計和國內(nèi)其他核電站反應(yīng)堆內(nèi)主設(shè)備的保溫結(jié)構(gòu)基本相同，俄方OKB在設(shè)計時綜合考慮了反應(yīng)堆核能熱效率、核安全、工業(yè)安全、在役檢查與維修等多方面的因素，選用了國際上較為先進的保溫結(jié)構(gòu)形式--雙壁可拆裝式保溫盒結(jié)構(gòu)。

田灣核電站兩臺機組一回路四臺蒸汽發(fā)生器、四臺主循環(huán)泵、四環(huán)路主管道、一臺穩(wěn)壓器及其主要連接管道、四臺安注箱及其主要連接管道，每臺機組共有3523平方米的面積采用此類保溫結(jié)構(gòu)形式。

4.1.1 保溫盒結(jié)構(gòu)特點分析

快速可拆裝保溫盒是由多塊具有保溫層、不銹鋼刺釘、內(nèi)設(shè)密封不銹鋼保護層、不銹鋼外保護層、標(biāo)牌、搭扣和把手等組成可重復(fù)拆裝的保溫結(jié)構(gòu)形式。其保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如下：

●保溫效果好、外形美觀

采用不同厚度不銹鋼保護層制作的密封結(jié)構(gòu)保溫盒，最大限度地降低了金屬保護層引起的自身熱損失，用魚鱗狀組合安裝成型，增強了設(shè)備整體保溫盒的保溫效果，提高了設(shè)備的熱效率。也使其整體外形圓滑美觀大方。

●維修檢查拆卸方便，可多次重復(fù)使用

因保溫盒的組合結(jié)構(gòu)是經(jīng)特殊工藝與材料制作的具有相對獨立的多塊拼裝形成的絕熱結(jié)構(gòu)?？煽焖倜芊獯罱咏M合，方便裝配，易于拆卸，并且可多次重復(fù)拆裝使用，設(shè)計壽命長達40年。機組運行維修期間，在役檢查和維修拆裝都很方便。

●安裝便捷、周期短、綜合經(jīng)濟效益好

保溫盒方便簡易的快速搭接組裝，縮短了維修時間，節(jié)約了設(shè)備大修時間，相對延長了設(shè)備正常運轉(zhuǎn)發(fā)電周期，提高了設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，增加了每一次大修循環(huán)周期內(nèi)的機組發(fā)電量，直接提高了機組的經(jīng)濟效益。另外，傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)使用的保溫材料，每次拆除時，有部分原保溫材料不能再利用，造成材料浪費；而快速搭接保溫盒拆裝時，只是每塊連接部位的組合與分離，保溫材料可以重復(fù)利用，提高了材料的利用率，節(jié)約了材料，減少了放射性廢物垃圾的產(chǎn)生，節(jié)省了每次維修的成本，相應(yīng)地提高了機組的經(jīng)濟效益。

●改善了維修環(huán)境和設(shè)備衛(wèi)生

在每次大修時，反應(yīng)堆廠房內(nèi)的傳統(tǒng)保溫層材料受安裝壓縮或人為因素破壞后，產(chǎn)生的帶有一定放射性的粉塵，在拆裝過程中會對設(shè)備與空間環(huán)境造成不同程度的污染。致使維修人員因輻射劑量和維修時間的限制，影響大修期。而采用快速可拆卸保溫盒，使整體保溫材料處于一定的密閉空間內(nèi)，避免了放射性粉塵對設(shè)備和空間環(huán)境的污染。

4.1.2 保溫盒結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用中的不足

盡管雙壁保溫盒結(jié)構(gòu)有上述較多的優(yōu)越性，但由于原始設(shè)計對后續(xù)維修工作考慮的不足，造成在歷次大修中對維修及在役檢查工作中，對保溫盒的反復(fù)拆裝帶來很大的不便。其主要因素如下：

●保溫盒單塊體積太大

主設(shè)備俄供雙壁可拆卸式保溫盒在原始設(shè)計和制作過程中未滿足國內(nèi)單塊小于25公斤/塊的要求，單塊體積過大并較為笨重，給后續(xù)維修拆裝工作造成很大的不便。不僅要投入相當(dāng)多的人力，而且保溫盒本體在拆裝運輸過程中極易變形、損壞，致使熱量從拼接縫處泄露，直接影響了機組的安全運行。

●保溫盒制作結(jié)構(gòu)單一

主設(shè)備俄供雙壁可拆卸式保溫盒在原制作階段，全部采用傳統(tǒng)的順?biāo)罱幽Ｊ剑率乖O(shè)備保溫盒整體結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相扣，取一塊必動全身，未考慮后續(xù)在役檢查工作的需求。即便是只檢測一條焊縫，也必須將設(shè)備本體保溫盒拆除70%以上，增大了維修工作量。

●對不可達死角的控制較為薄弱

雙壁可拆卸式保溫盒采用金屬拼接的鏈接模式，對設(shè)備不可達死角處的處理較為薄弱。原設(shè)計未考慮添加附屬配件設(shè)施，對不規(guī)則死角區(qū)域進行防堵，造成熱量擴散。

4.2 抹面層絕熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)俄方設(shè)計文件PROJECT №ЭЛ55《Thermaqustic insulation of steam turbine》K-1000-60/3000 中的規(guī)定，每臺機組常規(guī)島汽輪機本體及其管道和附件均采用膠泥抹面保護層結(jié)構(gòu)進行保溫。

4.2.1 抹面層保溫結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)介紹

為了滿足汽輪機本體運行時的升溫與降溫速度、熱量利用效率、振動等運行工藝的要求，汽輪機本體的保溫結(jié)構(gòu)，俄方LMZ設(shè)計采用了傳統(tǒng)的保溫結(jié)構(gòu)方式：保溫層+抹面層+玻璃絲布油漆。保溫層材料有俄供褥狀玄武巖棉縫氈；抹面材料及其它輔助材料。國內(nèi)抹面材料的技術(shù)特性如下：抹面層干密度容重不大于280kg/m3，在25℃時導(dǎo)熱系數(shù)為0.0691W/m·k，在70℃時為0.080W/m·k ；PH值為7～11，體積收縮率7.1%，最高使用溫度為600℃。封閉油漆為WE61-400耐高溫防腐涂料，最高使用溫度為400℃，可適用于冷熱交替運行工況。

4.2.2 抹面保護層的作用分析

密封絕熱作用。與其它保溫結(jié)構(gòu)相比較，抹面施工時，涂抹的灰漿能把棉毯的縫隙與孔洞填充，緊貼著主保溫層的材料，形成一層較為致密的保護層，增強了保溫結(jié)構(gòu)的密封絕熱效果。

改善絕熱層的表面條件。由于俄設(shè)計的汽輪機（K-1000-60/3000）的高、低壓缸及其閥門的整體部件比較龐大，其外表面存在著不同程度的凸凹不平，影響著保溫結(jié)構(gòu)的外觀。利用抹面灰漿的可塑性材料，通過抹面的找平與找圓工藝把保溫結(jié)構(gòu)與基體緊密結(jié)合在一起，使閥門與設(shè)備的保溫結(jié)構(gòu)表面圓滑平整，光潔勻稱，外觀保持一致性。endprint

提高絕熱結(jié)構(gòu)的防水性。因抹面層的干密度比保溫棉毯的密度大得多，結(jié)構(gòu)比較致密，多采用灰漿（粘結(jié)劑）膠結(jié)材料，與其外裹油漆玻璃絲布共同形成復(fù)合保護層，大大提高了保溫結(jié)構(gòu)的防水、防潮能力。

提高絕熱層的表面強度。由于抹面層中含有纖維增強材料和不銹鋼絲網(wǎng)作骨架，其表面強度較高，能夠抵抗一般情況下的外力撞擊和荷重能力。

施工適應(yīng)性較強。抹面保護層的施工，不受設(shè)備與管道所在位置和表面形狀的限制，對主保溫層的表面條件要求較低。具有廣泛的施工適應(yīng)性。

抹面層結(jié)構(gòu)存在的不足。施工時手工操作，材料損耗較大，勞動強度大，工作效率低，厚度不均且較難控制，施工質(zhì)量受時間、人為因素制約較大。而且設(shè)備在熱態(tài)與冷態(tài)轉(zhuǎn)變情況下，以及較大振動等長期運行工況下，抹面層不可避免地會出現(xiàn)裂縫，致使失去保護作用，影響保溫結(jié)構(gòu)的整體絕熱功效。

4.3 捆扎式結(jié)構(gòu)

捆扎式絕熱結(jié)構(gòu)是目前絕熱工程中使用最普遍的一種絕熱結(jié)構(gòu)，也是田灣核電站機組中應(yīng)用最多、最廣的一種絕熱結(jié)構(gòu)形式。由于設(shè)計選用保溫材料的因素，每臺機組八十余個工藝系統(tǒng)的管道與設(shè)備，都采用了這種絕熱結(jié)構(gòu)方式。其絕熱層主要依靠不銹鋼帶或其它金屬材料（如不銹鋼絲、鍍鋅鐵絲）捆扎固定的工藝結(jié)構(gòu)。

5 技術(shù)改造分析

依據(jù)俄方原始設(shè)計在役檢查大綱要求，每臺機組核島部分，需要在役檢查的有36個系統(tǒng)。據(jù)初步統(tǒng)計，可拆卸式保溫盒共有7649組，輔助設(shè)備有65臺。按照俄羅斯SPAEP的保溫設(shè)計文件，要求在役檢查的工藝系統(tǒng)管道與設(shè)備焊縫處的保溫結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計成單壁、雙壁保溫盒式的快速可拆卸結(jié)構(gòu)形式，只是對在役檢查工藝系統(tǒng)管道焊縫處進行了傳統(tǒng)的可拆卸式保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些系統(tǒng)中的管道及65臺役檢輔助設(shè)備仍為傳統(tǒng)固定式保溫結(jié)構(gòu)形式。為此，我們結(jié)合國內(nèi)其他核電站的實踐經(jīng)驗，組織設(shè)計院編制了可拆卸保溫盒制作和安裝技術(shù)要求、保溫結(jié)構(gòu)典型圖、保溫材料技術(shù)要求、可拆卸保溫盒熱失量分析等一套較為完整的、可操作的設(shè)計技術(shù)文件。并從T101大修開始，分批次進行改造。

參照國內(nèi)其他核電站的可拆卸保溫盒的設(shè)計、制作、安裝情況，結(jié)合田灣核電站的實際工藝要求，在施工現(xiàn)場制作與安裝可拆卸保溫盒具有以下特點。

在役檢查系統(tǒng)多，保溫盒品種多樣化。每臺機組核島部分共有36個保溫在役檢查系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)的管道附件如閥門、彎頭、三通、大小頭等要求役檢和維修的數(shù)量是國內(nèi)其他核電站的幾倍。根據(jù)不同工藝系統(tǒng)管道中的介質(zhì)溫度不同，要求保溫盒的厚度大小也不相同，這樣使得保溫盒的形狀大小出現(xiàn)了多樣化。

現(xiàn)場系統(tǒng)管道布局復(fù)雜，實測、制圖工作量大。由于核島內(nèi)各個廠房的管道布局多種多樣，有些管道布局非常緊湊，可實測操作空間比較狹窄，受障礙物的限制，實際測量的準(zhǔn)確性與速度都要受到影響。在每個可拆卸保溫盒進行安裝組對時，根據(jù)現(xiàn)場實際條件有部分保溫盒一個還要拆分為若干瓣，這更增大了實測制圖和預(yù)制的復(fù)雜性。

雙壁保溫盒結(jié)構(gòu)制作技術(shù)含量較高，預(yù)制工藝復(fù)雜。每個保溫盒的制作，首先要進行預(yù)制圖的繪制工作（包括現(xiàn)場實地測量尺寸、繪制草圖、復(fù)核修改尺寸大小、繪制預(yù)制加工圖）；然后制作安裝保溫盒（包括按加工圖預(yù)制、內(nèi)外壁成型、現(xiàn)場試裝與修改、合格后整體成型、現(xiàn)場整體試裝與修改、貯存與安裝），因此需要一批熟悉機械制圖的，具有現(xiàn)場實測經(jīng)驗與快速繪制能力的專業(yè)技術(shù)人員進行前期準(zhǔn)備工作。

制作保溫盒所需設(shè)備、工機具。根據(jù)初步統(tǒng)計的《可拆卸保溫盒制作需要設(shè)備、工機具清單》的數(shù)據(jù)，需要折彎機、卷扳機、剪扳機、鋸齒機、沖剪機、電焊機等16種設(shè)備100余臺。并相應(yīng)要求配置一般性工具26種。

6 結(jié)論

結(jié)合俄中兩國的保溫材料在機組中的使用情況，分析其設(shè)計結(jié)構(gòu)與使用特點。充分考慮機組運行后各項工作的方便開展，進一步優(yōu)化電廠保溫工作的結(jié)構(gòu)，從而提升保溫工作的管理，為以后國內(nèi)建設(shè)國產(chǎn)化核電站提供一些使用經(jīng)驗素材。

參考文獻

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作者簡介：李會義，男，（1980.09-）， 江蘇連云港人，本科，工程師。endprint