鈉冷快堆中爆破片裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

侯 斌 杜麗巖 牛志新

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048）

1 研究?jī)?nèi)容

第四代核電技術(shù)的代表是鈉冷快堆核電站換熱介質(zhì)鈉的缺點(diǎn)有兩點(diǎn)：其一，與水能發(fā)生猛烈反應(yīng)，放出氫氣，一旦發(fā)生鈉水反應(yīng)，設(shè)備內(nèi)壓力會(huì)急速升高；其二，鈉與氧氣也會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng)。 故對(duì)蒸汽發(fā)生器上所安裝的爆破片應(yīng)具有如下特點(diǎn)：（1）對(duì)急速超壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好；（2）爆破片密封性好，要徹底不漏；（3）爆破片泄放口徑大，爆破壓力準(zhǔn)確，耐疲勞性好。

2 爆破片形式選擇

目前， 常用爆破片種類按形狀分為正拱形爆破片、反拱形爆破片、平板形爆破片；從受力特點(diǎn)分為拉伸破壞形爆破片和壓縮失穩(wěn)破壞形爆破片。

從耐壓力疲勞上看，對(duì)于高溫拉應(yīng)力破壞的正拱形爆破片，爆破片在高溫、高應(yīng)力、長(zhǎng)時(shí)間作用下，爆破片會(huì)發(fā)生高溫蠕變變形，爆破壓力會(huì)隨時(shí)間增加而逐漸減小，故正拱形爆破片不適用高溫、高壓操作條件。所以鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器用爆破片應(yīng)首選反拱形爆破片。

對(duì)于反拱形爆破片，根據(jù)破裂原因分為：外界附件致破型和自身破裂型。自身破裂型為反拱帶槽型爆破片，爆破片表面有減弱槽。

對(duì)于反拱十字槽型爆破片， 減弱槽沿徑向十字形。徑向減弱槽對(duì)爆破片損傷小，耐疲勞好。允許有較大操作壓力比，但槽破裂需要慣性力較大，所以爆破需要能量大，需要一定爆破氣腔。

對(duì)反拱帶刀爆破片與反拱十字槽爆破片比較，由于反拱帶刀爆破片膜片表面無槽，沒有損傷，所以帶刀爆破片的耐疲勞性和高操作壓力比應(yīng)好于十字槽型爆破片，但相同壓力下，帶刀爆破片膜片較薄，耐損傷能力差，拱高也高于帶槽爆破片，爆破需要?dú)馇桓螅盍驯破瑫r(shí)，刀容易損傷變鈍，一旦變鈍下次再用就存在可能無法割破爆破片危險(xiǎn)。

綜上，比較反拱帶刀及反拱十字槽型爆破片各方面的性能特點(diǎn)，當(dāng)操作壓力比（爆破片操作壓力與爆破壓力之比）在80%以下，爆破氣腔需要較小時(shí)， 更適合選擇反拱十字槽型爆破片，故本研究建議鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器上采用反拱十字槽型爆破片。

3 爆破片裝置的密封結(jié)構(gòu)

由于鈉與氧氣會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，所以鈉絕不允許與氧接觸，爆破片結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格密封。 本爆破片裝置存在密封部位有如下5 個(gè)部位：（1）爆破片與夾持法蘭之間密封；（2）爆破片夾持法蘭與DN200 接管法蘭之間密封；（3）外罩DN300 接管法蘭間密封；（4）壓力傳感器處密封；（5）溫度傳感器處密封。

密封結(jié)構(gòu)分為可拆型和不可拆型。 不可拆型有焊接型密封和密封膠密封；可拆型密封從密封原理上分為：強(qiáng)制性密封和自緊型密封，性能最優(yōu)的是具有一定自緊功能的密封結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)可拆型的強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)有： 平墊片密封結(jié)構(gòu)、八角墊密封結(jié)構(gòu)、橡膠O 形圈密封結(jié)構(gòu)、卡扎里密封結(jié)構(gòu)等； 傳統(tǒng)有一定自緊密封功能的密封結(jié)構(gòu)有：空心金屬O 形圈、雙錐密封結(jié)構(gòu)、C 形環(huán)密封、B 形環(huán)密封、伍德式密封等，能滿足高溫、壓力不高且具有自緊密封功能通常采用金屬O 形圈密封。

3.1 爆破片與夾持法蘭之間密封

對(duì)反拱十字槽型爆破片，爆破片與夾持器之間的邊界約束對(duì)產(chǎn)品性能存在影響，即爆破片與夾持器之間的約束程度影響爆破壓力、爆破片開裂狀態(tài)及爆破片與夾持器間密封性。如果夾持力不足，邊界約束弱，則不僅會(huì)導(dǎo)致爆破壓力降低，且爆破時(shí)爆破片夾持邊緣抽動(dòng)，造成爆破片失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)慣性力減小，從而影響爆破片爆破開裂，另外夾持力也影響爆破片與夾持器間的密封效果。為了消除爆破片與夾持法蘭間邊界約束影響，滿足最高密封要求，爆破片與夾持法蘭間采用焊接結(jié)構(gòu)，可徹底解決上述問題。 該密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，密封可靠，可保證反拱十字槽型爆破片實(shí)現(xiàn)最佳性能。

3.2 爆破片夾持法蘭與DN200 接管法蘭間密封

為了保證爆破片裝置（與上法蘭焊接一體）與DN200接管法蘭之間密封可靠，同時(shí)保證爆破片裝置可更換，則該處不能采用焊接密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于開拆式密封，理論上采用自緊密封結(jié)構(gòu)較好，目前滿足自緊密封結(jié)構(gòu)，在高溫高壓上經(jīng)常選用空心金屬O 形圈構(gòu)。

3.2.1 空心金屬O 形圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

具有良好的回彈性，壓緊后上下密封面接觸面積小，密封比壓大，較小壓緊力即可實(shí)現(xiàn)較好密封效果，另外O 形圈內(nèi)側(cè)與介質(zhì)接觸表面加工有通氣孔，設(shè)備內(nèi)壓力介質(zhì)可進(jìn)入金屬圈的空心腔內(nèi)，設(shè)備內(nèi)壓力越高O 空腔內(nèi)壓力越高， 產(chǎn)生向上膨脹密封力越大，這就是自緊密封特點(diǎn)。近幾年空心金屬O 形圈在高溫高壓設(shè)備上及核電設(shè)備上經(jīng)常應(yīng)用?？招慕饘貽 形圈材料一般為304 或316 不銹鋼。

3.2.2 錐形環(huán)密封特點(diǎn)

近幾年在一些特殊的高溫高密封場(chǎng)合又出現(xiàn)了一種錐形環(huán)密封結(jié)構(gòu)， 這是一種新型自緊密封結(jié)構(gòu)，適用于高溫、壓力不高場(chǎng)合，具有“刀口”線密封及自緊密封特點(diǎn)，從密封原理上看，夾緊力和變形量較小就可達(dá)到密封要求。

密封原理是：法蘭壓緊后，鋒銳上下邊緣與密封結(jié)構(gòu)的900 mm 處接觸，鋒銳邊緣有可能卡入接觸面內(nèi)，當(dāng)受內(nèi)壓后，錐形環(huán)向外膨脹，使得接觸處更加緊密接觸，增大了密封比壓，所以在理論上這是一種非常優(yōu)異的密封結(jié)構(gòu)。

這種密封結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是：加工精度要求高，密封環(huán)內(nèi)徑與上密封面外徑應(yīng)緊密無間隙， 應(yīng)為過盈配合；如果為間隙配合，可能導(dǎo)致壓緊力不均勻，一般第一次安裝密封可能沒問題，但錐形環(huán)密封“刀口”已經(jīng)將結(jié)構(gòu)的密封面形成溝痕損傷，在第二次安裝時(shí)，如果無法與第一次的溝痕重合，則第二次安裝將無法實(shí)現(xiàn)有效密封。

由于錐形環(huán)在加工精度上與安裝位置上要求較高，安裝不好或加工精度不夠可能會(huì)損傷密封面，造成以后更換時(shí)出現(xiàn)密封問題，一旦密封面損傷，就無法實(shí)現(xiàn)高密封，需要對(duì)防護(hù)罩法蘭密封進(jìn)行重新加工修復(fù)。

為了避免出現(xiàn)這種問題，本研究提出采用雙密封結(jié)構(gòu)， 在錐形環(huán)外側(cè)增加一道金屬O 形圈密封結(jié)構(gòu)，這道密封作為輔助，可以使用，也可以不用，當(dāng)采用錐形環(huán)無法實(shí)現(xiàn)有效密封時(shí)，就增加一道金屬O 形圈密封。

3.3 溫度傳感器處密封

為了使溫度傳感器對(duì)爆破片爆破進(jìn)行報(bào)警，則溫度傳感器必須不能放到保護(hù)管內(nèi)，必須將溫度傳感器直接放入溫度場(chǎng)內(nèi)，溫度傳感器徑向雙O 形圈密封可以實(shí)現(xiàn)高密封性。 試驗(yàn)表明，對(duì)這種裸裝的溫度傳感器，對(duì)溫度感應(yīng)速度，傳感器直徑對(duì)感應(yīng)滯后性影響不大，為了保證傳感器有較好強(qiáng)度，建議傳感器直徑選擇3～4mm 左右。

溫度傳感器報(bào)警最大問題是：由于測(cè)量?jī)x表需要定期更換校驗(yàn)，溫度傳感器也需要定期更換，如何實(shí)現(xiàn)不停車更換溫度傳感器問題，本研究沒有好的解決方法，本研究計(jì)劃采用球閥密封，更換方法如下：

由于保護(hù)罩內(nèi)為低壓，溫度傳感器采用彈性膠軟密封及壓緊螺母壓緊彈性膠， 實(shí)現(xiàn)傳感器軸向密封。更換時(shí)稍微松開壓緊螺栓， 使溫度傳感器能抽動(dòng)，然后將傳感器緩慢抽出，并及時(shí)關(guān)閉球閥，更換新傳感器。將傳感器從原來孔中逐漸插入，當(dāng)?shù)竭_(dá)球閥處，打開球閥，進(jìn)行向下插入，達(dá)到規(guī)定位置，然后擰緊壓緊螺栓實(shí)現(xiàn)密封。

4 結(jié)語

本文針對(duì)鈉冷快堆中的爆破片進(jìn)行了選型，同時(shí)對(duì)爆破片裝置不同密封部位設(shè)計(jì)了不同的密封結(jié)構(gòu)，總體滿足了鈉冷快堆爆破片裝置的使用要求，后續(xù)需要通過實(shí)驗(yàn)等手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。