核電廠穩(wěn)壓器電加熱器異常經(jīng)驗反饋

張　斌，鄒國強，黨恒軍，劉旺瑛

（1. 西安核設(shè)備有限公司， 陜西　西安　710021；2. 中廣核工程有限公司， 廣東　深圳　518114）

核電廠穩(wěn)壓器電加熱器異常經(jīng)驗反饋

張斌1，鄒國強2，黨恒軍1，劉旺瑛1

（1. 西安核設(shè)備有限公司， 陜西西安710021；2. 中廣核工程有限公司， 廣東深圳518114）

運行核電廠穩(wěn)壓器電加熱器能否正常工作直接關(guān)系到核電廠的安全運行。通過對某新建核電廠調(diào)試期間穩(wěn)壓器電加熱器故障事件進行剖析，結(jié)合電加熱器制造安裝工藝和工程試驗驗證，得出了該型號電加熱器填充物的使用溫度限值（140 ℃）。采用加速失效思想設(shè)計了預(yù)計電加熱器壽命的試驗，找到了電加熱器熱老化的相關(guān)規(guī)律。根據(jù)電加熱器填充物使用溫度限值和熱老化規(guī)律，給出了電加熱器使用保養(yǎng)建議和處理類似事件的經(jīng)驗反饋，對核電廠的安全運行有一定的指導意義。

穩(wěn)壓器； 電加熱器； 加速失效； 熱老化； 經(jīng)驗反饋

穩(wěn)壓器是壓水堆核電站（Nuclear Power Plant， NPP）的關(guān)鍵設(shè)備，起著維持系統(tǒng)壓力的作用。壓水堆核電站一回路穩(wěn)定運行壓力為15.5 MPa，穩(wěn)壓器是唯一處于汽水兩相狀態(tài)的主設(shè)備，其上部存在一定容積汽腔，根據(jù)負荷的不同，其水位在20%～60%變化。利用底部電加熱和頂部噴淋來控制水-汽平衡，在正常功率波動及中、小工況下，將主冷卻劑系統(tǒng)壓力變化控制在允許范圍內(nèi)，以保證反應(yīng)堆一回路壓力的穩(wěn)定，避免發(fā)生緊急停堆。若多根穩(wěn)壓器電加熱器發(fā)生故障，可能導致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)運行壓力發(fā)生波動，而造成非計劃停堆，將對機組安全性和經(jīng)濟性造成不利影響。因此，穩(wěn)壓器電加熱器可靠運行在壓水堆核電廠的安全運行中起到非常重要的作用［1-2］。

壓水堆核電廠穩(wěn)壓器電加熱器預(yù)期壽命大約20年。實際上由于電加熱器用材料非各向同性及運行操作、維護保養(yǎng)等環(huán)節(jié)不到位，少量電加熱元件的使用壽命會低于最小設(shè)計壽命。

穩(wěn)壓器電加熱器組件的制造和安裝工藝較為復(fù)雜［2］，在役核電廠更換電加熱器施工難度大，由此產(chǎn)生的維修成本極高，且國內(nèi)外只有極少數(shù)機構(gòu)有能力進行維修［3］。本文將介紹電加熱器組件的制造安裝工藝、討論加熱器組件損壞的原因并在此基礎(chǔ)上指出加熱器保養(yǎng)的經(jīng)驗反饋。

1　穩(wěn)壓器電加熱器組件制造安裝工藝簡介

1.1電加熱器組件及制造要求

穩(wěn)壓器電加熱器組件由電加熱器和貫穿套管兩部分構(gòu)成（見表1），電加熱器按照《電加熱器制造和驗收技術(shù)條件》在合格供貨商中外購成品［3］，并與焊在穩(wěn)壓器下封頭內(nèi)側(cè)的貫穿套管相焊，通過焊接方式保證承壓邊界的完整性［4］。電加熱器的貫穿套管所用鍛件為核級材料，質(zhì)保體系一直延伸到分供方，不僅制造過程受到嚴格監(jiān)督，而且鍛件成品后制造單位仍會進行入廠復(fù)驗。所有項目確認合格后，才會機加工、檢測和水壓試驗等。

1.2電加熱器組裝及焊接

（1）貫穿套管冷裝工藝介紹

在下封頭指定部位鉆孔，冷裝前必須復(fù)測各孔及貫穿套管尺寸，并進行一一編號，確保冷裝階段套管能夠順利進入相應(yīng)孔位，保證安裝的電加熱器套管符合圖紙要求［5］。按照順序進行有規(guī)律的錯位安裝，將對應(yīng)編號的貫穿套管從液氮貯槽中取出裝入對應(yīng)編號的開孔中，安裝時間不超過3 min；液氮貯槽的液面要高于零件表面，冷卻時間不少于15 min［6］（見圖1）。

表1　電加熱器組件信息Table 1　The main parts of the electrical heater components

圖1　穩(wěn)壓器下封頭貫穿套管孔分布Fig.1　The layout of the pressurizer lower head penetration sleeve holes

（2）下封頭與電加熱器組件焊接方案

穩(wěn)壓器下封頭安裝了63根電加熱器，其中60根正常工況下使用，3根處于備用狀態(tài)。所有貫穿套管冷裝工作完成后，采用手工氬弧焊在穩(wěn)壓器豎立狀態(tài)下完成電加熱器貫穿套管與下封頭的焊接和檢測［7］。接著將內(nèi)圈7根貫穿套管與相應(yīng)加熱器進行組焊，然后焊接中間一圈26根，最后焊接最外圈30根。為便于制造期間無損檢測及焊縫返工，每一圈電加熱元件焊接完畢后首先進行無損檢驗，只有檢測合格才能繼續(xù)進行外圈電加熱器焊接［8-9］。組焊完成后按照要求對電熱元件性能測試并將結(jié)果進行記錄［10］（見圖2、圖3）。

圖2　貫穿套管與下封頭組焊示意圖Fig.2　The assembly-welding of the lower head and penetration sleeve

2　穩(wěn)壓器加熱器故障事件回顧

2014年11月，國內(nèi)某新建核電廠調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)1號機組穩(wěn)壓器少量電加熱器連接線纜脫落，連接接頭燒損。隨后業(yè)主組織設(shè)備制造單位、電加熱器供貨商等到現(xiàn)場進行實地查看并初步調(diào)查了事件的原因?，F(xiàn)場損壞確認無法繼續(xù)使用的電加熱器問題如表2所示。

圖3　貫穿套管與電加熱元件組焊示意圖Fig.3　The welded-style between lower header and sleeve

另外聯(lián)合調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)該電廠穩(wěn)壓器安裝和運行存在以下問題［1］：

1）所有加熱器均沒有安裝翅片散熱器。

2）保溫層安裝不符合規(guī)范，造成加熱元件外露有效高度縮短，同時電加熱器元件之間的間隙也變得更加狹小，不利于加熱器外表面熱量向環(huán)境中傳遞。

3）一些供電電纜的彎折角度過大。

4）熱態(tài)試驗溫度記錄儀顯示，接插件表面溫度高達198 ℃，這一溫度僅是針對加熱器連接件表面的。還不確定是否所有加熱器滿負荷運行以及環(huán)境溫度狀況。如果不利因素疊加在一起，加熱器表面的實際溫度會更高。

3　原因分析及討論

穩(wěn)壓器制造單位聯(lián)合電加熱器供應(yīng)商進行了原因分析，對電加熱器填充的環(huán)氧樹脂、加熱器的熱老化影響因素進行了理論分析和實驗驗證，最終給出了電加熱器失效的機理。

3.1電加熱器環(huán)氧樹脂溫度限值分析

通過現(xiàn)場觀察不難看到，個別損壞加熱器的填充樹脂已經(jīng)流出，初步分析可能是樹脂的耐熱性能超過了溫度限制。本批供貨的加熱器選擇Stycast 2762型環(huán)氧樹脂疊加17型催化劑作為接插件的填充物，因為該組合填充物具有低收縮率、低熱膨脹系數(shù)、高溫度阻抗、已經(jīng)30多年的使用經(jīng)驗等優(yōu)勢。

表2　現(xiàn)場加熱器損壞情況Table 2　Heaters ruined on site

溫度限值以下樹脂能夠確保電加熱器有良好的物理和電氣性能，且填充樹脂的老化會非常的緩慢，有利于電加熱器長時間使用。但畢竟環(huán)氧樹脂在溫度限值以上會受到嚴重的損害，使用中必須對樹脂在高溫狀態(tài)下失效的過渡溫度進行評估，以便給出防止Stycast型樹脂在高溫下過快老化的溫度限值［12］。

使用膨脹測量法在室溫至230 ℃的不同溫度環(huán)境下對一批加熱器進行了電性能和機械性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Stycast樹脂的過渡溫度限值約為140 ℃。顯然，新建核電廠熱試階段加熱器表面的溫度已經(jīng)超過該溫度限值至少58 ℃，因而環(huán)氧樹脂出現(xiàn)了過燒流出現(xiàn)象。

3.2加熱器的熱老化壽命分析

核電站穩(wěn)定運行要求電加熱器的使用壽命半功率狀態(tài)下超過20 000 h，如果嚴格按照實際情況進行常規(guī)試驗測試其熱老化壽命不但耗時，還要耗費大量人力、物力，也滿足不了工程的要求，為解決這一矛盾，此次驗證試驗引入了加速壽命試驗。所謂電加熱器的加速失效壽命試驗，在既不改變實際使用條件的失效機理，又不增加新的失效機理的前提下，選擇溫度作為加速應(yīng)力，把各種溫度應(yīng)力下的工作次數(shù)、時間作為壽命數(shù)據(jù)進行分析，即以溫度作為自變量，壽命作為因變量進行試驗，以溫度作為加速應(yīng)力，就是升高電加熱器的實際工作溫度，或加大電加熱器的實際工作溫度的跨度，溫度越高，溫度之間的跨度越大，失效周期就越短，達到了加速失效的目的［13］。

電加熱元件供應(yīng)商對樣品進行了溫升試驗，觀測“快速”動態(tài)彈出現(xiàn)象。由于試驗主要進行熱老化性能驗證，因而電加熱器本身未通電，而是選擇放在熱處理爐中模擬（見表3）。

按照上述加速失效條件進行3組試驗件的模擬，結(jié)果顯示隨著溫度的升高，填充樹脂狀態(tài)逐步發(fā)生變化。250 ℃持續(xù)48 h，試件二環(huán)氧樹脂在連接插頭外開始膨脹。試件三溫度增至275 ℃，75 h后連接插頭外樹脂加速膨脹、快速彈出，電加熱器完整性已經(jīng)失效（見圖4～圖6）。

為了進一步了解加熱器內(nèi)部的損壞情況，對連接接頭試件三進行射線檢測，發(fā)現(xiàn)加熱器填充物內(nèi)部存在裂縫和空隙且環(huán)氧樹脂有顯著位移。

3.3失效機理

電加熱元件超負荷工作期間內(nèi)部承受熱老化，高電壓等沖擊，由此產(chǎn)生空隙、裂縫等缺陷，這些缺陷會降低電加熱元件自身的絕緣電阻，在接插件內(nèi)部產(chǎn)生電弧，發(fā)生短路，進而擊穿樹脂絕緣層，造成電加熱元件性能失效。

表3　電加熱器熱老化壽命模擬試驗Table 3　Simulation test of heater aging life

圖4　試件二的測試結(jié)果Fig.4　The test result of test coupon 2

圖5　試件三的測試結(jié)果Fig.5　The test result of test coupon 3

圖6　試件三的X射線照射Fig.6　X-ray detection for test coupon 3

3.4電加熱元件壽命預(yù)測

阿倫尼烏斯模型（Arrhenius model，AM）適用于加速試樣的熱老化過程。環(huán)氧樹脂屬于有機材料適用于該模型［14］。

式中：1t——模擬壽命；

t2——實驗室壽命；

T1——模擬環(huán)境溫度；

T2——加速失效溫度；

φ——活化能，eV；

κ——玻耳茲曼常數(shù)（8.62×10-5eV/K）。本加速失效試驗中，保守取值，將活化能φ取值為0.8 eV。將表二加速失效試驗中相關(guān)數(shù)據(jù)代入結(jié)果如表4所示。

由于尚不清楚有多少電加熱器填充物遭受了高溫的破壞，且無法確定持續(xù)時間，因而其余電加熱器的剩余壽命或許更短。

4　結(jié)論

1）按照RCCE D2000的有關(guān)規(guī)定，穩(wěn)壓器下封頭環(huán)境溫度不能大于50 ℃，周圍環(huán)境溫度過高將對電加熱器散熱產(chǎn)生不利影響。建議運行過程中對環(huán)境溫度進行監(jiān)測，如果溫度超過50 ℃應(yīng)立即采取強制冷卻措施（如風冷等），以便提高穩(wěn)壓器底部散熱的效率。

2）供應(yīng)商翅片散熱驗證性試驗顯示，安裝翅片能有效降低連接件表面至少40 ℃。為了防止更多電加熱元件超溫損壞，該核電廠電加熱器已經(jīng)全部安裝了翅片散熱器［15］。

3）Stycast型樹脂的過渡溫度通過膨脹測定曲線得知大約在140 ℃左右，在高于這一溫度的情況下，接插件中的環(huán)氧樹脂將會加速老化從而縮短加熱器的使用壽命。溫度記錄顯示該核電廠穩(wěn)壓器電加熱元件連接件表面溫度達198 ℃，明顯高于過渡溫度限值，建議進一步細化操作規(guī)程，加強核安全文化培訓，防止人因失誤［16-17］。

4）目前發(fā)生故障的6個電加熱器位于穩(wěn)壓器下封頭的不同部位，這可能就是電加熱器已經(jīng)老化的預(yù)警，電廠運行中應(yīng)加強監(jiān)控。

5）保溫層設(shè)計階段對電加熱器對流和輻射散熱空間考慮不到位，鋪設(shè)的保溫層占據(jù)了一定的散熱空間，造成電加熱器承插件上的熱量無法及時導出。建議將保溫層安裝位置適當?shù)陀陔娂訜崞魈坠苓B接件，以便套管連接件的熱量可以及時排出。

表4　電加熱器熱老化壽命模擬試驗Table 4　Simulation test for heater aging life

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The Experience Feedback on Pressurizer Heater Abnormality in a New-built Nuclear Power Plant

ZHANG Bin1， ZOU Guo-qiang2， DANG Heng-jun1， LIU Wang-ying1
（1. Xi'an Nuclear Equipment Co.， Ltd.， Xi'an of Shaanxi Prov. 710021， China；2. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518114， China）

It is critical that the electrical heater of the pressurizer works normally for PWR. Based on analyses for the heater failure events in a new nuclear power plant and combined with the heater manufacturing and installation process and related engineering test， some important parameters， including filler temperature limits of no more than 140 ℃， and thermal ageing principle， are found out. It is helpful for providing advices and experience feedback for the usage and maintenance of heaters， and having some instructive meanings for the safe operation of nuclear power plant.

pressurizer；electrical heaters；failure acceleration；thermal ageing；experience feedback

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0239-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0239-06

2015-02-09

張 斌（1987—），男，陜西商州人，工程師，在職碩士，現(xiàn)從事核安全機械設(shè)備售后服務(wù)及經(jīng)驗反饋工作。