堆內(nèi)構(gòu)件振動試驗臨時儀表安裝技術(shù)

山東電力工程咨詢院有限公司 韓小勇

某核電一號機組作為某標準電站設(shè)計的首堆，堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗（FOAK）項目以驗證堆內(nèi)構(gòu)件有足夠的設(shè)計裕量承受穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的流致振動載荷，確保堆內(nèi)構(gòu)件在電站60年壽期內(nèi)不會發(fā)生失效。根據(jù)美國NRC RG1.20 R2. Comprehensive Vibration Assessment Program for Reactor Internals 規(guī)定，某核電站1機組被指定為某原型堆滿足RG1.20 R2的要求，當成功完成CVAP 后且沒有不可接受的振動現(xiàn)象發(fā)生，則可認定某核電一號機組為有效原型“valid prototype”。在某核電一號機組以后建造的某機組按照NRC RG1.20將會被定義為“Non-Prototype category I”，其堆內(nèi)構(gòu)件只需進行檢查即可，但這些后續(xù)機組將會引用首堆試驗流致振動試驗項目（CVAP）大綱中在原型電站測量的相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，核管當局將會接受這種引用首堆試驗CVAP大綱的提交方式。因此某核電一號機組堆內(nèi)構(gòu)件振動試驗非常重要，將會受到美國NRC 和其它核電業(yè)主的廣泛關(guān)注。

CVAP 的一部分是在選定堆內(nèi)構(gòu)件的位置安裝儀表，用以檢驗在流致振動過程壓力容器內(nèi)堆內(nèi)構(gòu)件的性能。堆內(nèi)構(gòu)件CVAP 儀表組件的安裝是CVAP 項目中的至關(guān)重要的一部分，安裝后的儀表在試驗過程中處于壓力容器內(nèi)部，壓力容器頂蓋處在壓力容器上并全部固定完成；在試驗過程中，這些臨時儀表在熱試的工況下處在高壓高溫以及高流體沖擊的環(huán)境中。因此，堆內(nèi)構(gòu)件的儀表在CVAP試驗中是不能進行拆除或修復(fù)，在儀表組件安裝時必須保證合格和可靠。

1 CVAP 儀表安裝簡介

堆內(nèi)構(gòu)件的下述區(qū)域安裝了儀表：儀表格架組件（IGA）、上部堆內(nèi)構(gòu)件（UI）和下部堆內(nèi)構(gòu)件（LI），其中下部堆內(nèi)構(gòu)件包括二級堆芯支撐結(jié)構(gòu)（SCSS）、下部堆芯支撐板（LCSP）、堆芯圍筒（CS）和堆芯筒體（CB）。在CVAP 儀表組件安裝時，上堆內(nèi)構(gòu)件和儀表格架組件是存放在上堆內(nèi)構(gòu)件的存儲架上，下堆內(nèi)構(gòu)件是存放在下堆內(nèi)構(gòu)件的存儲架上。下堆內(nèi)構(gòu)件CVAP 組件安裝過程中，需要在堆內(nèi)構(gòu)件搭設(shè)腳手架，以便完成堆芯圍筒上的儀表組件的安裝工作。在安裝和拆除過程中，實際的操作空間能夠滿足施工需求，可以不旋轉(zhuǎn)。

CVAP 儀表組件安裝工作順序：拆除部分導(dǎo)向筒-提升IGA-IGA 和UI 上儀表安裝-降低IGA-安裝IGA 電纜橋架-將上堆內(nèi)構(gòu)件組件吊入壓力容器（在吊裝過程中將下堆內(nèi)構(gòu)件電纜穿過上堆內(nèi)構(gòu)件法蘭）-安裝壓力容器CVAP 專用Quickloc 組件，將所有堆內(nèi)構(gòu)件上安裝的線纜引出Quickloc組件-壓力容器頂封頭（RVCH）安裝就位-安裝Quickloc 密封組件-安裝Conax 密封組件-端接電纜插頭，安裝電橋和放大器-外部導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、光纖以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備安裝-配合完成CVAP 的試驗；下堆內(nèi)構(gòu)件CVAP 組件安裝時，將下堆內(nèi)構(gòu)件吊入壓力容器，然后接以上“將上堆內(nèi)構(gòu)件組件吊入壓力容器”的步驟順序進行。

上堆內(nèi)構(gòu)件和IGA 上CVAP 組件的安裝過程中，由于IGA 組件和上堆內(nèi)構(gòu)件無法分離，因此需將IGA 提升到指定高度才能完成上堆內(nèi)構(gòu)件內(nèi)部和IGA 上的儀表組件安裝；在安裝時，由于在上堆內(nèi)構(gòu)件支撐頂板內(nèi)安裝儀表組件，需要除7～8根控制棒導(dǎo)向筒，在臨時儀表安裝過程中都涉及導(dǎo)向管的拆除和回裝。安裝順序在此安裝工程中，由于穿插著導(dǎo)向筒拆裝、IGA 提升和降落、下堆內(nèi)構(gòu)件安裝和上堆內(nèi)構(gòu)件安裝的工作，需合理安排好施工順序，否則將會產(chǎn)生大量的返工。拆除順序可按照安裝相反的順序進行拆除，拆除工作和安裝工作同樣重要，拆除的步驟也不能簡化。

2 CVAP 施工內(nèi)容

2.1 CVAP 安裝的工程量

CVAP 部件安裝主要包括儀表基座安裝，管夾和電纜管安裝、電纜蓋板和固定螺栓、電纜卡、電纜鋼扎帶、電纜卡箍、Conax 密封組件、Quickloc和Bulletnose 組件、下部堆內(nèi)構(gòu)件的外側(cè)安裝并焊接164顆導(dǎo)線蓋板螺母，其位置公差±0.51mm，要求定位精確度高。CVAP 儀表組件在堆內(nèi)構(gòu)件安裝的有86個，壓力容器頂蓋螺母上安裝7個。堆內(nèi)構(gòu)件共有CVAP 儀表組件86個需要安裝，在IGA 上共有儀表組件27個；在上堆內(nèi)構(gòu)件上共有儀表組件17個；下堆內(nèi)構(gòu)件上共有儀表組件42個；壓力容器頂蓋上共有儀表組件7個。CVAP 安裝的臨時儀表有應(yīng)變計（Strain Gauge）、壓力傳感器（Pressure Transducer）、加速度計（Accelerometer）和相對位移傳感器（Relative Displacement Transducer）。

2.2 施工要點

測量元件的安裝應(yīng)注意安裝完成后有足夠的固定力，保證儀表不振動、不脫落。應(yīng)變計的焊接，焊接能量應(yīng)滿足要求，并在每處施焊前進行在試件上試焊并進行剝離試驗；正式的焊點應(yīng)分布均勻，按照從中間向單邊焊接的順序。壓力傳感器的固定孔應(yīng)與傳感器緊密貼合，并使用空心螺栓固定，最終需要點焊螺栓進行防松動；固定孔與傳感器的兩邊間隙之和應(yīng)小于0.1mm。其它儀表安裝后，緊固件應(yīng)使用專用工具進行防松動處理。線纜固定用的線卡與應(yīng)變計焊接的焊接能量不同，應(yīng)在調(diào)整焊接能量后重新進行試焊。應(yīng)變計的安裝應(yīng)注意在安裝后其不得承受額外附加的應(yīng)力，用以提高測量精度。在安裝時，在靠近應(yīng)變片的金屬導(dǎo)線進行S 型彎線，然后在S 彎處先固定兩個壓片避免導(dǎo)線和應(yīng)變片轉(zhuǎn)動，確保應(yīng)變片與母材表面平行，最大限度降低應(yīng)變片的安裝后內(nèi)應(yīng)力。

在Quickloc Stalk 上安裝線纜，由于Quickloc Stalk 相對于儀表格架移動，在進行流致振動試驗時在有相對運動的地方應(yīng)增加安裝補償彎頭，避免在安裝Quickloc Stalk 壓力邊界后試驗過程線纜受到過大的擠壓力或拉力而損壞線纜。在固定某些元器件或部件時需使用到螺栓和螺母，此時為避免螺栓或螺母的脫落會有防松動措施。主要有兩種措施：一是將螺栓焊接在基材上使用螺母進行固定，此時為保證被固定件的受壓平衡螺母要施加同一緊固力，通過施加螺栓力矩來保證，最后通過兩處點焊做到防松動；另一種是在螺栓緊固時在螺栓和被壓部件間增加放松帽，將通過點焊將防松帽固定在基材上，在螺栓施加設(shè)計緊固力后再通過擠壓防松帽邊緣與螺栓上的凹痕契合，達到避免螺栓松動的目的。

電纜過細，應(yīng)在安裝過程中注意成品保護，在線纜固定過程中要確保線纜的彎曲半徑符合使用說明書和圖紙要求，特別是在有人行走的上堆內(nèi)構(gòu)件的表面。在施工過程中應(yīng)增加電氣測試的次數(shù)，在有懷疑線纜遭到損壞的可能時都需要測試驗證儀表功能完好。特別是如果在線纜基本安裝完成時，若發(fā)現(xiàn)儀表或線纜損壞、喪失功能，將會造成大量的返工。在施工前意識到這種風(fēng)險并控制了這種風(fēng)險。

3 施工難點及施工中的問題解決

由于施工空間狹小、腳手架到達位置等影響，以及施工過程中需增加的輔助工作進行評估，主要有以下難點：

在安裝上堆內(nèi)構(gòu)件支撐頂板內(nèi)和導(dǎo)向管山的CVAP 儀表組件時，需拆除周圍的導(dǎo)向管，在導(dǎo)向管的安裝受CVAP 儀表組件安裝的影響，拆除和安裝均不連續(xù)，需多工種和多單位協(xié)調(diào)合作。即使拆除導(dǎo)向管，在CVAP 儀表組件安裝過程中空間十分狹小，且周邊有IITA（堆芯儀表保護套管），不能產(chǎn)生碰撞和擠壓。下堆內(nèi)構(gòu)件堆芯圍筒上的CVAP儀表組件安裝需在下堆內(nèi)構(gòu)件中搭設(shè)腳手架，以支持堆芯圍筒上的CVAP 儀表組件安裝，由于堆內(nèi)構(gòu)件屬于A1設(shè)備，在其內(nèi)部施工勢必需謹慎，避免工機具和腳手架對堆內(nèi)構(gòu)件的表面造成破壞。腳手架搭設(shè)施工人員可達性差，此問題受到現(xiàn)場環(huán)境影響，改進空間很小，施工難度增加。

施工時，設(shè)計方?jīng)]有拆除導(dǎo)向筒的方案和數(shù)量，經(jīng)技術(shù)評估拆除的導(dǎo)向筒數(shù)量和位置得以確認。其主要考慮的因素有施工人員的身體大小、儀表安裝位置、附件的特點。下堆內(nèi)構(gòu)件的線纜穿出上堆內(nèi)構(gòu)件時，應(yīng)在上堆內(nèi)構(gòu)件吊裝過程中進行穿線，穿線后，為配合流道試驗應(yīng)將電纜使用固定裝置綁扎在高位，避免線纜頭進水。為保證壓力容器密封面的光潔，應(yīng)使用聚四氟乙烯圓環(huán)進行保護。因此階段核島內(nèi)清潔度不高，會有灰塵或砂礫進入聚四氟乙烯保護環(huán)與密封面的風(fēng)險，但人員又有在此處的施工，因此需將密封面完全清潔且有保證雜質(zhì)到達密封面表面的措施，如使用不銹鋼專用膠帶粘貼避免雜質(zhì)侵入，同時保證保護環(huán)相對壓力容器法蘭面不移動，減少劃痕。

下部堆內(nèi)構(gòu)件的外側(cè)的線纜蓋板在流致振動期間將受到很大的水流沖擊，螺栓的強度需滿足設(shè)計要求。在蓋板安裝過程中，焊接螺栓在固定后蓋板需要使用螺栓進行固定，此安裝工序應(yīng)特別注意。由于下堆內(nèi)構(gòu)件表面不平整，蓋板與筒壁間有的部位會有空隙，蓋板強度不高，螺母緊固力不足時流致振動期間會造成蓋板抖動，螺栓受到很大的垂直拉力和左右晃動的力，最終導(dǎo)致蓋板脫落，損壞壓力容器內(nèi)部其他部件。

綜上，堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗臨時儀表安裝技術(shù)，包括了應(yīng)變計、壓力傳感器、相對位移傳感器和加速度計的安裝，在試驗過程中監(jiān)控堆內(nèi)構(gòu)件的振動、壓力、應(yīng)力變形量、筒體受熱變形量等參數(shù)，用于驗證堆內(nèi)構(gòu)件在核電運行的可靠性。以上安裝技術(shù)可對今后新型核電站的堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗臨時儀表的安裝起到指導(dǎo)意義，這些技術(shù)也可應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如壓力容器內(nèi)外表面應(yīng)力測量、壓力管道外表面的應(yīng)力和變形測量、密封高溫高壓容器內(nèi)部件的振動等測量。