蒸汽發(fā)生器傳熱管機(jī)械堵頭的安裝及拆除

程 檀

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

蒸汽發(fā)生器（Steam Generator，SG）作為核電廠一回路、二回路的壓力邊界，是一回路放射性冷卻劑和二回路非放給水熱交換的核心部件，也是二回路不受污染的放射性防護(hù)屏障。蒸汽發(fā)生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，而其壁厚一般僅為1.0～1.5 mm。在運行過程中，蒸汽發(fā)生器傳熱管處在高溫、高壓、高輻射的惡劣環(huán)境中，一、二次側(cè)較大的溫差和壓差所產(chǎn)生的應(yīng)力、振動、腐蝕、傳熱管與管板連接部位的集中應(yīng)力、外部異物撞擊等各種不利因素會導(dǎo)致傳熱管降質(zhì)甚至破損。

國內(nèi)外的運行經(jīng)驗表明，傳熱管破損的問題是不能完全杜絕的。因此，在定期對傳熱管的完整性進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上，有必要對已破損或者有缺陷的傳熱管進(jìn)行快速而可靠的堵管操作，使其退出現(xiàn)役，從而保證蒸汽發(fā)生器安全、可靠地運行。

考慮到經(jīng)濟(jì)性和易實施性，目前對待傳熱管破損問題多半數(shù)采用堵頭可拆除的機(jī)械堵管方式。這意味著必要時可將堵頭拆取出來，然后或是襯管、或是對該傳熱管重做渦流檢查，重新判斷缺陷程度和缺陷發(fā)展速度。對某些典型缺陷的傳熱管，則可將其取出，用于評定。

1 傳熱管機(jī)械堵頭的安裝

作為蒸汽發(fā)生器傳熱管缺陷維修的現(xiàn)行主流技術(shù)手段，機(jī)械堵管技術(shù)路線主要有兩種——機(jī)械輥脹式堵管和機(jī)械拉拔式堵管，這兩種堵管技術(shù)均經(jīng)過了嚴(yán)格的考核試驗和驗證，滿足傳熱管堵管的要求。相應(yīng)地，使用的堵頭分為機(jī)械輥脹式堵頭（Mechanical Rolled Plug）和機(jī)械拉拔式堵頭（Mechanical Ribbed Plug）。

1.1 機(jī)械輥脹式堵管技術(shù)

機(jī)械輥脹式堵頭是一種一端開口、一端封閉的圓柱形中空結(jié)構(gòu)，堵頭外殼的圓柱面上有一段等離子噴涂層（圖1）。該涂層位于堵頭輥脹區(qū)域的中部，有良好的抗腐蝕性能，可以保證堵頭經(jīng)輥脹擴(kuò)張后與傳熱管內(nèi)壁緊密接觸，阻隔泄漏。

圖1 機(jī)械輥脹式堵頭

（1）機(jī)械輥脹式堵管設(shè)備用于安裝機(jī)械輥脹式堵頭，具有傳熱管清潔、傳熱管定徑、堵頭輥脹等功能。其主要功能模塊有4個：①輥脹裝置，堵頭安裝的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可分別安裝清潔刷、定徑工具頭、輥脹工具頭進(jìn)行傳熱管清潔、傳熱管定徑、堵頭輥脹操作；②力矩標(biāo)定裝置，用于校準(zhǔn)輥脹裝置的輸出力矩；③控制箱，用于控制輥脹裝置和力矩標(biāo)定裝置；④控制工作站，用于控制和記錄堵管實施過程。

（2）機(jī)械輥脹式堵管技術(shù)采用滾壓硬化的方法擴(kuò)脹機(jī)械輥脹式堵頭，將其安裝在傳熱管內(nèi)部。安裝步驟主要有3 個：①傳熱管清潔，清除待堵傳熱管管口內(nèi)表面的雜質(zhì)；②傳熱管定徑，對待堵傳熱管管口進(jìn)行整形，使其滿足堵頭安裝的尺寸和形位公差要求；③堵頭輥脹，使輥脹堵頭與傳熱管內(nèi)壁貼合，形成密封（圖2）。

圖2 機(jī)械輥脹式堵頭的安裝

1.2 機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)

機(jī)械拉拔式堵頭是一種由兩部分組成、一端開口一端封閉的圓柱形中空結(jié)構(gòu)：堵頭外殼上有多道密封環(huán)或肋條，這是為了與傳熱管內(nèi)壁貼合，形成多道密封，阻隔泄漏；堵頭內(nèi)有1 個高強(qiáng)度的倒錐形膨脹塊，用于徑向擴(kuò)張堵頭外殼，保持密封環(huán)或肋條與傳熱管內(nèi)壁的緊密接觸（圖3）。

（1）機(jī)械拉拔式堵管設(shè)備用于安裝機(jī)械拉拔式堵頭，具備拉拔芯軸旋轉(zhuǎn)、堵頭液壓拉伸等功能，其主要功能模塊也有4 個：①堵管工具頭，是堵頭安裝的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可與堵頭連接并通過液壓拉伸膨脹塊進(jìn)行堵管操作；②高壓泵，用于提供堵頭液壓拉伸所需的高壓油；③控制箱，用于控制堵管工具頭和高壓泵；④控制工作站，用于控制和記錄堵管實施過程（這與機(jī)械輥脹式堵管類似）。

（2）機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)采用移動膨脹塊的方法擴(kuò)脹機(jī)械拉拔式堵頭，將其安裝在傳熱管內(nèi)部。安裝步驟主要有4 個：①芯軸旋入，拉拔芯軸正轉(zhuǎn)旋入堵頭，使其與膨脹塊嚙合；②堵頭插入，將堵頭插入待堵傳熱管內(nèi)；③堵頭拉拔，拉拔堵頭使其與傳熱管內(nèi)壁貼合，形成密封；④芯軸旋出，拉拔芯軸反轉(zhuǎn)旋出堵頭。

圖3 機(jī)械拉拔式堵頭

2 傳熱管機(jī)械堵頭的拆除

在一些特定情況下，需要拆除已安裝的機(jī)械堵頭，如：堵頭安裝不滿足驗收準(zhǔn)則，堵頭出現(xiàn)泄漏等堵頭失效情況，已堵傳熱管需要實施取管、襯管、穩(wěn)定支架安裝等進(jìn)一步維修措施的情況。

2.1 機(jī)械輥脹式堵頭的拆除

機(jī)械輥脹式堵頭采用熱縮的方式進(jìn)行拆除：先用TIG 焊的方式對堵頭內(nèi)壁進(jìn)行加熱，然后等待其自然冷卻，冷卻過程中堵頭產(chǎn)生徑向和軸向收縮力并釋放其與傳熱管貼合的應(yīng)力，使其直徑變小并與傳熱管剝離。拆除步驟：①堵頭熱縮，使用TIG 焊在堵頭內(nèi)壁移動形成加熱軌跡，并使其自然冷卻形成熱縮；②堵頭拉拔，使用膨脹工具抓持熱縮后的堵頭內(nèi)壁，并通過液壓拉拔的方式取出堵頭。

機(jī)械輥脹式堵頭拆除后，已堵傳熱管將恢復(fù)堵管前狀態(tài)。因此，在后續(xù)經(jīng)過檢查并評估安全的前提下，傳熱管可以繼續(xù)投用。

2.2 機(jī)械拉拔式堵頭的拆除

機(jī)械拉拔式堵頭采用機(jī)械加工的方式進(jìn)行拆除。在不損傷傳熱管的前提下，直接使用專用的成型銑刀對堵頭進(jìn)行銑削，拆除堵頭。由于在安裝過程中，堵頭外壁的密封或肋條會在傳熱管內(nèi)壁形成壓痕，因此機(jī)械拉拔式堵頭拆除后傳熱管無法恢復(fù)堵管前狀態(tài)，必須重新安裝機(jī)械拉拔式堵頭或焊接堵頭進(jìn)行封堵。

3 傳熱管機(jī)械堵頭安裝及拆除技術(shù)的應(yīng)用

近年來，我國在運核電廠中CNP600、M310、AP1000 等堆型的蒸汽發(fā)生器均已出現(xiàn)傳熱管堵管需求，并實施了機(jī)械拉拔式堵頭或機(jī)械輥脹式堵頭的安裝。但國內(nèi)目前尚未應(yīng)用機(jī)械堵頭拆除技術(shù)。

圖4 機(jī)械輥脹式堵頭的拆除

3.1 安裝技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)場實施過程中，無論是機(jī)械拉拔式堵管還是機(jī)械輥脹式堵管，單個堵頭的安裝時間不超過5 min。與焊接堵管比較，機(jī)械堵管技術(shù)有明顯的優(yōu)勢：工序少、操作簡單方便、人員在高劑量區(qū)工作時間短、堵管質(zhì)量容易保證、堵管后不需要進(jìn)行復(fù)驗、機(jī)械堵頭可以拆卸等，因此在核電廠得到廣泛應(yīng)用。

2011 年，國內(nèi)某機(jī)組役前階段因傳熱管過脹原因出現(xiàn)堵管需求，使用自動機(jī)械臂搭載堵管工具的方式，對2 根過脹的傳熱管實施了機(jī)械拉拔式堵管，成功安裝了4 個機(jī)械拉拔式堵頭。這是機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)在國內(nèi)核電廠的首次成功應(yīng)用，也是國內(nèi)首次在立式蒸汽發(fā)生器上實施自動堵管。

圖5 某機(jī)組役前堵管實施

3.2 拆除技術(shù)的應(yīng)用

2001 年，美國三里島核電站1 號機(jī)組和奧科尼核電站1 號機(jī)組在蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢查過程中，在已堵傳熱管的鄰近管子上均發(fā)現(xiàn)了磨痕顯示，因此需要對已安裝的堵頭進(jìn)行拆除，并對相關(guān)傳熱管進(jìn)行重新檢查和評估。這是一起典型的非堵頭失效原因拆除機(jī)械堵頭的實例。

除了因已堵傳熱管需要維修而拆除堵頭的情況外，在機(jī)械堵管技術(shù)的早期應(yīng)用階段，也出現(xiàn)過因堵頭失效而拆除堵頭的事情。

1989 年，在弗吉尼亞州北安娜核電站1 號機(jī)組，1 個Alloy600TT 材料的機(jī)械堵頭出現(xiàn)失效情況，堵頭的頂部因腐蝕原因斷裂、脫離，并在一回路壓力作用下沿傳熱管向上運動、刺穿了傳熱管的U 形彎管段，引發(fā)了一回路冷卻劑泄漏導(dǎo)致的計劃外強(qiáng)制停堆。該事件促成了針對已經(jīng)安裝的同類型堵頭的一系列檢查、評估，并對存在失效風(fēng)險的堵頭進(jìn)行了拆除。該事件之后，機(jī)械堵頭開始采用耐腐蝕性能更高的Alloy690 合金和Alloy800 合金。

在如下情況下，可以將機(jī)械堵管作為一種臨時性維修措施并在后期進(jìn)行堵頭拆除：①重新評估渦流檢驗結(jié)果，表明傳熱管的破損小于原有的允許標(biāo)準(zhǔn)；②重新分析并降低了堵管準(zhǔn)則（要求堵管的傳熱管壁厚減薄百分比）；③在具體維修措施最終確定前的預(yù)防性堵管；④出現(xiàn)大量堵管需求時，先實施機(jī)械堵管，后期再分批拆除并使用襯管替代，以便減少停堆時間、恢復(fù)蒸汽發(fā)生器功率。

4 結(jié)語

隨著我國核電站運行時間的增加和公眾對核安全要求的不斷提高，維護(hù)蒸汽發(fā)生器的安全、穩(wěn)定運行和降低現(xiàn)場工作人員輻照劑量水平變得尤為重要。機(jī)械堵管技術(shù)的使用不僅有效減少了缺陷傳熱管的維修時間，并且大大降低了現(xiàn)場操作人員的輻照劑量。

國內(nèi)目前已經(jīng)通過技術(shù)引進(jìn)結(jié)合自主研發(fā)的方式，具備了機(jī)械輥脹式堵管和機(jī)械拉拔式堵管的技術(shù)能力，并在現(xiàn)場實施過程中積累了較為豐富的實踐經(jīng)驗。但是，在機(jī)械堵頭的拆除方面尚未開展相關(guān)的技術(shù)研究，也沒有相應(yīng)的技術(shù)儲備。作為機(jī)械堵管的糾正措施以及傳熱管后續(xù)維修的先決手段，機(jī)械堵頭的拆除技術(shù)還需要進(jìn)一步研究和掌握。