M310核電機(jī)組堆腔水池測量小室蓋板泄漏原因分析1)

(中核運(yùn)行管理有限公司維修支持處，浙江 海鹽 314300)

1 RPN蓋板概述

在M310壓水堆核電站機(jī)組的反應(yīng)堆堆腔分布著有8個容納反應(yīng)堆核測量系統(tǒng)即RPN系統(tǒng)的探測器相關(guān)設(shè)備儀器測量室，其構(gòu)成核測量系統(tǒng)源量程、中間量程和功率量程的測量通道，其分布情況如圖1所示。

測量室中布置有堆外測量系統(tǒng)探測器等組件，在小車貯藏位置正上方為檢修通道，通道頂部安裝有生物屏蔽體和水密蓋即測量小室蓋板(簡稱“RPN蓋板”)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，為保證測量小室內(nèi)的通風(fēng)流量以達(dá)到冷卻核測量設(shè)備的作用，需將RPN蓋板進(jìn)行打開并固定。當(dāng)機(jī)組裝換料大修期間，由于換料水池需充滿硼酸水作為裝換料操作的屏蔽層，檢修人員需將RPN蓋板關(guān)閉嚴(yán)實(shí)，并保證測量小室的密封性能，防止硼酸水進(jìn)入測量室，避免因其發(fā)生泄漏導(dǎo)致的硼酸水滴落在核測量儀表設(shè)備及其他組件上而造成的電氣短路、絕緣失效或金屬腐蝕等事件。

圖1 核測量小室分布

圖2 核測量小室結(jié)構(gòu)

若RPN蓋板在換料水池充水期間發(fā)生泄漏，不光對測量小室中的核測量系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生較大危害，同時會導(dǎo)致機(jī)組大修狀態(tài)的回退，直接影響大修主線時間。在方家山機(jī)組QF-OT101大修開蓋作業(yè)期間，因RPN蓋板泄漏導(dǎo)致大修主線的開蓋時間延長了6 h，大量工作返工：回裝反應(yīng)堆假頂蓋、換料水池去污、RPN蓋板的復(fù)裝、核測量設(shè)備檢查等，即使在設(shè)備未被損壞的情況下，也直接造成電廠經(jīng)濟(jì)損失超過250萬元，大量檢修人員承擔(dān)了不必要的輻照劑量。經(jīng)進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)其他核電站如：秦山二期核電站、福清核電站等同樣發(fā)生過RPN蓋板泄漏的事件。

2 RPN蓋板密封結(jié)構(gòu)及泄漏分析

2.1 RPN蓋板密封結(jié)構(gòu)

RPN蓋板屬于結(jié)構(gòu)較為簡單的機(jī)械式靜壓密封蓋板，蓋板由不銹鋼圓板、不銹鋼圍板、定位手桿、層壓彈簧、手桿固定塊和緊固件等部件組成。所有機(jī)械部件均焊接或螺紋連安裝在不銹鋼圍板上，RPN蓋板通過不銹鋼圍板末端的鉸鏈機(jī)構(gòu)打開或關(guān)閉，通過定位手桿鎖定在打開狀態(tài)。不銹鋼圍板側(cè)面加工有兩道凹槽，用于安裝內(nèi)、外橡膠O形圈，當(dāng)RPN蓋板關(guān)閉時，通過安裝鉸鏈的緊固螺栓，將圍板上的O形圈整體壓在蓋板底座密封面上，從而形成兩道防水密封。

2.2 RPN蓋板泄露原因分析

2.2.1 RPN蓋板設(shè)備本身缺陷原因分析

維修人員根據(jù)RPN蓋板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場泄漏情況調(diào)查，對RPN蓋板泄漏的原因進(jìn)行了分析，推斷結(jié)果如表1所示。

表1 RPN蓋板泄露原因分析

結(jié)論：RPN蓋板及底座密封面本身均不存嚴(yán)重缺陷，不是發(fā)生泄露的根本原因。

2.2.2 RPN蓋板O形密封圈備件原因分析

維修人員針對O形圈進(jìn)行調(diào)查分析，若O形密封圈備件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、領(lǐng)用階段造成了難以發(fā)現(xiàn)的缺陷或安裝過程無意造成備件損壞，但現(xiàn)場拆除原密封圈后，檢查密封圈無肉眼可見的明顯缺陷。另一方面為O形圈由于工藝原因造成尺寸偏差，間接造成密封圈壓縮率不足，引起泄漏。所以針對同一批次O形密封圈截面進(jìn)行尺寸測量。

查閱國家相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于密封槽及密封圈的說明：根據(jù)密封槽的尺寸，密封圈選擇截面尺寸宜控制在(8.6±0.16)mm[1]。另國家密封件設(shè)計手冊中記載：平面靜密封密封圈壓縮率宜控制在15%～30%，因此，壓縮率為w=(d-h)/d×100%。式中，d—密封圈截面尺寸；h—密封槽深度(含密封間隙)。

圖3 RPN蓋板圖紙尺寸

此RPN蓋板密封圈截面尺寸為φ(8.0±0.2)mm，dmax=8.2 mm，dmin=7.8 mm密封圈理論極限壓縮率計算如下：

Wmin=(7.8-7.1)/7.8×100%=8.97%

Wmax=(8.2-6.1)/8.2×100%=25.61%

計算結(jié)果：該設(shè)計O形密封圈尺寸在RPN蓋板密封槽內(nèi)的壓縮率不滿足設(shè)計要求15%～30%。再者根據(jù)現(xiàn)場測量密封槽深度值及對應(yīng)O形密封圈尺寸帶入壓縮率計算公式。

得出結(jié)論：1號、4號、5號密封槽內(nèi)的密封圈壓縮率均小于15%的設(shè)計要求。

由此可見，與設(shè)計最佳壓縮率相比，實(shí)際RPN蓋板的密封圈壓縮率存在一定差異。在RPN蓋板在關(guān)閉時，僅通過非均布的兩顆螺栓進(jìn)行緊固，相比常規(guī)法蘭連接，O形圈受到的壓力也存在一定不均勻的狀況，盡管RPN蓋板的錐形結(jié)構(gòu)本身具備一定的自密封功能，理論上在換料水池水位由+10.5 m充滿至+19.5 m高度的過程中，密封性能會有所提高。但進(jìn)一步考慮現(xiàn)場存在O形圈和密封槽的極限偏差、加工誤差，O形圈截面均勻程度、金屬腐蝕缺陷，安裝人員技能偏差等因素，現(xiàn)使用O形圈在換料水池充水初段時間內(nèi)對于RPN蓋板不具備最佳的密封性能。

結(jié)論：O形密封圈在RPN蓋板的密封槽內(nèi)沒有達(dá)到最佳壓縮率是此次RPN蓋板泄漏的主要原因。

3 RPN蓋板密封可靠性改進(jìn)理論分析

由上述可得知，為降低RPN蓋板泄漏的概率，減少核電站關(guān)于此類事件的經(jīng)濟(jì)損失，需采取一系列措施保障RPN蓋板的密封性能。從人、機(jī)、料、法、環(huán)五大因素入手就提高RPN蓋板密封可靠性進(jìn)行了研究及改進(jìn)，其中重點(diǎn)改進(jìn)了“備件”“工藝和結(jié)構(gòu)”兩大部分。

3.1 O形密封圈備件改進(jìn)

3.1.1 O形密封圈材料改進(jìn)

研究針對目前常用的4種密封橡膠進(jìn)行篩選，并簡要說明它們的優(yōu)缺點(diǎn)及特性[2]，如表2所示。

表2 不同材質(zhì)的密封橡膠特點(diǎn)

分析對比以上四種O形圈材料的綜合性能，要求新設(shè)計O形圈材料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度；因其使用環(huán)境在硼酸水中，且具有一定輻射劑量，要求新O形密封圈具有性能穩(wěn)定。綜上所述，選擇三元乙丙橡膠(EPDM)為最佳。

3.1.2 壓縮率對O形密封圈尺寸改進(jìn)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)描述及密封圈壓縮率標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合Ansys對O形密封圈在不同壓縮率在接觸壓力分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明提高壓縮率對密封圈密封性能有顯著影響[3]。設(shè)計人員在重新設(shè)計了密封圈尺寸，φ8.5 mm密封圈相對于原φ8.0 mm密封圈，其理論壓縮率更接近于靜密封壓縮率的15%～30%，也更便于O形圈的安裝。

3.2 RPN蓋板密封槽結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)密封圈在密封槽內(nèi)的充填率設(shè)計值目標(biāo)控制在75%為最佳，此時密封圈的充填率對密封可靠性有著顯著提升[4]。 充填率為

η=(d2π/4)/(G×h)×100%

式中：d—密封圈截面尺寸；G—密封槽寬度；h—密封槽深度(含密封間隙)，如圖3所示。此RPN蓋板密封圈截面新設(shè)計尺寸為φ(8.5±0.2) mm，dmax=8.7 mm，dmin=8.3 mm，G=(11.20±0.2) mm，h=5.6(+0.2)/(-0.1) mm，ηmax=(8.72π/4)/(6.1×11)×100%=88.6%,ηmin=(8.52π/4)/(7.1×11.4)×100%=70.1%。

比較使用原有密封圈，新密封圈尺寸φ8.5±0.2 mm在RPN蓋板密封槽內(nèi)的充填率更為接近75%。所以在已更換O形圈尺寸的前提下，不對RPN蓋板密封槽結(jié)構(gòu)尺寸做出調(diào)整。

3.3 工藝和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)RPN蓋板O形密封圈的尺寸，提高最小壓縮率數(shù)值，從設(shè)計角度的確提高了其密封性能。但增大了O形圈直徑的同時也增加了安裝難度，且依靠僅有兩顆非均布的緊固螺栓，其傳遞給O形圈均勻載荷的能力是有限的，對于現(xiàn)場安裝質(zhì)量帶來了一定不確定因素。同時，由于目前缺乏有效的工藝手段驗(yàn)證當(dāng)前RPN蓋板的安裝狀態(tài)，使得檢修人員無法對安裝后的O形密封圈的壓縮狀態(tài)是否符合密封要求進(jìn)行直觀判斷。

開發(fā)人員在吸取現(xiàn)有的RPN蓋板試驗(yàn)工藝的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了研究范圍，進(jìn)一步參照了核電站相關(guān)設(shè)備的嚴(yán)密性試驗(yàn)工藝及經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)對RPN蓋板改進(jìn)項(xiàng)目的開發(fā)難度、變更難度、施工難度、成本限制和工期限制等多方面條件進(jìn)行了評估，并確定了明確的改進(jìn)方向：

1)開發(fā)可靠、成熟、安全的RPN蓋板密封可靠性試驗(yàn)工藝及相關(guān)裝置；

2)在上一條的基礎(chǔ)上，僅對RPN蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行小幅度修改，且不改變主體結(jié)構(gòu)；

3)不對RPN蓋板底座進(jìn)行任何改造，因此不改變現(xiàn)有RPN蓋板與底座及專用工具的接口形式；

4)RPN蓋板的檢驗(yàn)工藝在現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)具備一定效率，且檢驗(yàn)快捷，操作方便，不會生成新的放射性廢物。

4 RPN蓋板密封可靠性實(shí)際改進(jìn)

如上所述確定的改進(jìn)思路后，設(shè)計人員在現(xiàn)RPN蓋板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，新RPN蓋板具備單獨(dú)的打壓接口，通過外接試驗(yàn)裝置即可對RPN蓋板兩道密封圈同時進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及試驗(yàn)狀況如下。

4.1 新RPN蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計

新RPN蓋板相對于原RPN蓋板在外觀、主體結(jié)構(gòu)、接口、密封槽尺寸等方面均完全一致，僅新增了打壓流道、并調(diào)整了下部密封槽的位置，如圖4所示。

圖4 新RPN蓋板示意圖

由于原RPN蓋板兩道密封槽之間的間隙只有4.8 mm，考慮異物堵塞風(fēng)險，設(shè)計人員將打壓流道設(shè)計為在φ5 mm，因此新RPN蓋板需對內(nèi)外密封槽的位置進(jìn)行調(diào)整。通過測量RPN蓋板上下密封槽與水池上下表面的距離，發(fā)現(xiàn)尺寸因水池底部的焊接變形及加工誤差等因素存在較大差異，以上密封槽為基準(zhǔn)，增大了兩道槽體的間距。

新設(shè)計的密封槽位置需要考慮上述密封面尺寸的差異性，為保證密封性的可靠，綜合現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量，設(shè)計人員將內(nèi)密封槽中心線往下平移3.2 mm，將兩密封槽之間的實(shí)體尺寸增加至8 mm，便于φ5 mm的打壓流道的鉆孔加工。

4.2 O形密封圈的設(shè)計

因新RPN蓋板內(nèi)密封槽位置進(jìn)行了調(diào)整，內(nèi)密封圈的尺寸由原來的φ767 mm×φ8 mm調(diào)整至φ765 mm×φ8.5 mm，并將原材質(zhì)由丁腈橡膠更換成三元乙丙橡膠。

4.3 打壓裝置設(shè)計

打壓裝置使用硼酸水作為試驗(yàn)介質(zhì)，打壓接頭采取一端為快速接頭和另一端管螺紋的連接方式。螺紋接頭部分與RPN蓋板打壓流道螺紋連接，快速接頭端可直接與管線上預(yù)制的快速接頭連接，此結(jié)構(gòu)形式能夠快速將打壓裝置配對至RPN蓋板本體。試驗(yàn)裝置能滿足對8只RPN蓋板同時進(jìn)行密封性試驗(yàn)，各打壓回路單獨(dú)配備壓力儀表檢驗(yàn)密封性能。待打壓結(jié)束，利用內(nèi)六角堵頭對打壓流道進(jìn)行封堵即可，此堵頭帶密封墊，且蓋板上接口加工成沉孔形式，保證堵頭安裝后的換料水池鋼覆面平整性。

4.4 RPN蓋板安裝工藝流程改進(jìn)

RPN蓋板樣件、打壓裝置樣件和試驗(yàn)臺架在制造完成后，維修人員按設(shè)計要求，對RPN各關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的測繪復(fù)核，各項(xiàng)尺寸滿足設(shè)計要求。同時，維修人員對RPN蓋板緊固螺栓的力矩進(jìn)行了標(biāo)定，安裝機(jī)械設(shè)計手冊M12×1.75 mm粗牙螺栓，按螺栓等級6.9劃分，螺栓力矩控制在65 N·m。待RPN蓋板與試驗(yàn)臺架安裝完成后，工作人員現(xiàn)場按設(shè)計文件要求模擬了RPN蓋板樣件的密封性試驗(yàn)。試驗(yàn)中，此打壓裝置與RPN管線進(jìn)行連接并升壓至試驗(yàn)壓力僅耗時約5 min，經(jīng)30 min的保壓后驗(yàn)證了RPN蓋板樣件無泄漏，符合設(shè)計要求，滿足現(xiàn)場工況。

5 結(jié)束語

RPN蓋板密封可靠性的改進(jìn)及其試驗(yàn)裝置的開發(fā)，將有效的降低因其泄漏而導(dǎo)致大修主線退模式事件的發(fā)生概率，避免了核電站的經(jīng)濟(jì)損失，減少維修人員所承擔(dān)的不必要劑量，不僅保障了測量室核測系統(tǒng)設(shè)備的安全，提高了維修人員的工作效率，而且增加機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。此RPN蓋板密封裝的設(shè)計是秦山維修技術(shù)力量的體現(xiàn)，在公司現(xiàn)有的條件下最安全、最高效的速度圓滿完成了該項(xiàng)工作。為后續(xù)大修RPN蓋板的安裝提供了技術(shù)保障，為大修主線時間的控制提供有力的保證，為核電安全穩(wěn)定運(yùn)行打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。