控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封泄漏應(yīng)對(duì)策略分析

李 云（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

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控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封泄漏應(yīng)對(duì)策略分析

李 云
（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

摘要：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的薄弱環(huán)節(jié)，泄漏事故多發(fā)于此。針對(duì)此類問(wèn)題，文章通過(guò)比較M310及AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼密封結(jié)構(gòu)，分析探討了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封泄漏的應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；耐壓殼；密封；泄漏；應(yīng)對(duì)策略

CLC number： TM623 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0067-04

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?，通過(guò)它的動(dòng)作帶動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上下抽插，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、停堆和事故情況下的安全控制［1］，由驅(qū)動(dòng)桿部件、鉤爪部件、耐壓殼部件、線圈部件和棒位指示器部件組成。其中，耐壓殼部件是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的組成部分，屬于核電站第二道安全屏障，必須確保壓力邊界的完整性。然而，統(tǒng)計(jì)資料顯示，耐壓殼是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的薄弱環(huán)節(jié)，泄漏事故多發(fā)于此，給核電廠安全造成重大隱患。本文通過(guò)對(duì)M310和AP1000壓水堆核電機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究，分析探討了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封泄漏的應(yīng)對(duì)策略。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在壓力容器頂蓋之上，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)桿部件穿過(guò)頂蓋進(jìn)入壓力容器內(nèi)部與控制棒組件相連接；線圈部件套在耐壓殼外部，通電后產(chǎn)生電磁力通過(guò)鉤爪部件帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制棒提升、下降及保持功能；棒位指示器位于驅(qū)動(dòng)桿行程套管外部，用于探測(cè)驅(qū)動(dòng)桿在行程套管中的位置；耐壓殼與壓力容器頂蓋貫穿件相連，形成反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的承壓邊界。

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the structure of the control rod drive mechanism

1.1 M310耐壓殼結(jié)構(gòu)

M310控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耐壓殼部件由驅(qū)動(dòng)桿行程套管組件與密封殼組成。驅(qū)動(dòng)桿行程套管的兩端均采用梯形螺紋與下部的密封殼和上部的端塞相連并采用OMEGA型密封焊縫進(jìn)行密封。密封殼與壓力容器頂蓋貫穿件也采用梯形螺紋及OMEGA型密封焊縫進(jìn)行連接和密封，如圖2所示。

1.2 AP1000耐壓殼結(jié)構(gòu)

AP1000采用盲孔深孔加工方式，使端塞和驅(qū)動(dòng)桿行程套管成為一體化盲管；密封殼與壓力容器頂蓋貫穿件采用異種金屬對(duì)接焊接形式成為一體化密封殼，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)桿行程套管與密封殼之間通過(guò)梯形螺紋連接并使用OMEGA型密封焊縫密封［2-4］。

圖2 M310 CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of the structure of the pressure housing assembly for M310 CRDM

圖3 AP1000 CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of the structure of the pressure housing assembly for AP1000 CRDM

1.3 結(jié)構(gòu)比較

M310與AP1000壓水堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件結(jié)構(gòu)比較，見(jiàn)表1。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M310控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件采用了上中下三處OMEGA型密封焊縫進(jìn)行密封，而AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件減少為一處OMEGA型密封焊縫結(jié)構(gòu)。

表1 M310與AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件結(jié)構(gòu)比較Table 1 Comparison of the structure of the pressure housing assembly of M310 & AP1000 CRDM

2 失效機(jī)理

國(guó)內(nèi)外M310機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料［5-6］顯示，其控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件上的OMEGA型密封焊縫是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的薄弱環(huán)節(jié)，泄漏事故多發(fā)于此，給核電廠安全造成了重大隱患。

目前，AP1000機(jī)組仍在建設(shè)中，但是其控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件保留了一處OMEGA型密封焊縫，未來(lái)依然存在失效泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

OMEGA焊縫泄漏失效機(jī)理非常復(fù)雜。例如：加工過(guò)程中產(chǎn)生初始裂紋，焊接過(guò)程中產(chǎn)生初始裂紋，應(yīng)力疲勞產(chǎn)生初始裂紋以及腐蝕原因產(chǎn)生初始裂紋等，都有可能產(chǎn)生泄漏。

國(guó)內(nèi)外研究普遍認(rèn)為［5-6］：應(yīng)力腐蝕是OMEGA型密封焊縫發(fā)生泄漏的主要原因。應(yīng)力腐蝕裂紋是指在足夠大的拉伸應(yīng)力和敏感的腐蝕環(huán)境影響下合金的裂紋擴(kuò)展，是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，必須具備三個(gè)條件才能發(fā)生，即對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的材料、拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境。

3 修復(fù)方法

3.1 整體更換法

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件的下部OMEGA型密封焊縫失效泄漏后，首先使專用OMEGA型密封焊縫切割機(jī)定位于耐壓殼部件下部OMEGA焊縫處，通過(guò)切割機(jī)刀具旋轉(zhuǎn)升降，遠(yuǎn)距離遙控自動(dòng)切割作業(yè)。切割完成后，將耐壓殼部件移除，再使用專用打磨工具對(duì)壓力容器頂蓋貫穿件進(jìn)行打磨，修正焊縫坡口尺寸。然后，整體更換新的耐壓殼備件。最后再使用專用OMEGA型密封焊縫焊機(jī)進(jìn)行焊接。當(dāng)耐壓殼部件的上部或中部OMEGA型密封焊縫失效泄漏，也建議整體更換耐壓殼備件。

3.2 堆焊法

堆焊技術(shù)（Overlay Welding）于1988年在美國(guó)由WSI公司和SI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)并應(yīng)用，目前已作為一種通用維修技術(shù)廣泛在美國(guó)核電廠實(shí)施。堆焊法是將專用自動(dòng)焊機(jī)沿耐壓殼部件向下定位至預(yù)定位置，通過(guò)遠(yuǎn)程控制使焊機(jī)機(jī)頭升降旋轉(zhuǎn)，直接在原OMEGA焊縫的基礎(chǔ)上，堆焊2～3層與原焊縫材料有很好相容性的合金，重新建立承壓邊界。耐壓殼部件上的各處OMEGA型密封焊縫泄漏均可采用堆焊技術(shù)修復(fù)［6］。

3.3 方法比較

目前，整體更換法與堆焊法是兩種處理控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)OMEGA型密封焊縫泄漏問(wèn)題的成熟方法，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

表2 整體更換法與堆焊法比較Table 2 Comparison between complete replacement and overlay welding

4 結(jié)論

M310耐壓殼部件采用了上中下三處OMEGA焊縫密封，AP1000耐壓殼部件僅采用了一處OMEGA焊縫密封結(jié)構(gòu)，而根據(jù)資料顯示［3］：同為第三代核電技術(shù)的EPR機(jī)組已取消了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件上的所有OMEGA型密封焊縫結(jié)構(gòu)，采用法蘭形式與壓力容器頂蓋貫穿件連接。

綜上可見(jiàn)：在設(shè)計(jì)上，減少或取消控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)的OMEGA焊縫是降低甚至避免泄漏問(wèn)題發(fā)生的一條重要途徑。

另外，在方法上，整體更換法及堆焊法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的方法或配合使用。但從核電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，堆焊法優(yōu)勢(shì)明顯并且便于進(jìn)行預(yù)防性維修，防患于未然，推薦采用。

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Analysis of the Strategy for the Sealing Leakage of the Control Rod Drive Mechanism

LI Yun
（CNNC Nuclear Power Operation Management Co.， Ltd.， Haiyan of Zhejiang Prov. 314300， China）

Abstract：The pressure housing assembly of the control rod drive mechanism is the weak point of the pressure boundary in the reactor coolant system. There have been frequent leakage accidents happened. For this type of leakage accidents， the paper analyses and discusses the solution for the sealing leakage of the control rod drive mechanism through comparison of the structure of the pressure housing assembly for the control rod drive mechanism of M310 and AP1000.

Key words：control rod drive mechanism； pressure housing assembly； sealing； leakage；strategy

中圖分類號(hào)：TM623

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1617（2016）01-0067-04

收稿日期：2015-10-25

作者簡(jiǎn)介：李 云（1982—），男，陜西安康人，工學(xué)碩士，工程師，現(xiàn)從事核電廠設(shè)備可靠性工作。