HTR-PM控制棒驅動機構維修技術研究

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(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223;2.華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成 264312)

HTR-PM控制棒系統(tǒng)是高溫氣冷堆核電站反應性調節(jié)和控制的重要核安全設備，具有控制棒運行行程長、吸收體質量重、采用鏈條驅動等與壓水堆控制棒顯著不同的特點。一方面控制棒驅動機構工況嚴苛、結構復雜，操作頻繁，發(fā)生故障的概率較大；另一方面控制棒驅動機構部分電氣元器件的設計壽命也僅十年，如步進驅動電機和棒位指示器等，需進行定期更換[1-2]。為保證HTR-PM正常有序的運行，有必要對控制棒驅動機構進行定期的維修維護電氣元器件的更換。目前針對高溫氣冷堆維修技術的研究各國均在進行，但還沒有相對成熟的技術，本文針對HTR-PM控制棒驅動機構提出一種維修技術。

1 HTP-PM控制棒驅動機構

1.1 結構

HTR-PM共有24套控制棒驅動機構，每套控制棒驅動機構通過4個M56的雙頭螺柱連接在壓力容器頂蓋上。受頂蓋空間限制，控制棒驅動機構分外置式和直通式，并以2套外置式和2套內置式為一組，外置式和直通式控制棒驅動機構交叉分布在壓力容器頂蓋上?？刂瓢趄寗訖C構通過環(huán)鏈與控制棒連接，其中控制棒驅動機構與環(huán)鏈之間通過快速接頭連接。驅動機構通過收放環(huán)鏈實現(xiàn)控制棒在孔道內上下移動或移動保持在指定的位置，實現(xiàn)反應堆啟停、功率調節(jié)、功率補償和停堆[3]。

圖1 HTR-PM控制棒系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of HTR-PM control rod system

1.2 控制棒系統(tǒng)維修方案

受高溫氣冷堆固有特性和控制棒驅動機構復雜空間結構的限制，HTR-PM控制棒驅動機構維修過程中存在以下難點：

1)維修過程中需保持一回路氣氛。HTR-PM控制棒驅動機構安裝在反應堆壓力容器上方，與反應堆一回路系統(tǒng)共同構成反應堆的壓力邊界，保證堆芯氣氛與外界的隔離，防止放射性物質外泄?？刂瓢趄寗訖C構維修過程中，若直接拆除將會導致一回路的氦氣氣氛被破壞，內部放射性物質外泄造成人員、設備和廠房環(huán)境沾污。

2)維修過程中氣氛隔離密封面難建立?？刂瓢趄寗訖C構結構復雜，壓力容器頂蓋體積龐大，氣氛隔離過程中需在現(xiàn)有主設備的基礎上以合理基準構建密封面。

3)維修過程中有較高的放射性風險。控制棒驅動機構位于反應堆艙室內，控制棒驅動維修需方便快捷，減少施工人員接受的放射性劑量。

針對上述難點，為了減少施工人員在線操作接受的放射性劑量，同時保持一回路氣氛，最方便有效的維修方式是通過氣氛隔離的方法，將控制棒提升至壓力容器頂蓋管口，快速分離環(huán)鏈與控制棒之間的連接，再將控制棒驅動機構轉移至維修廠房進行離線維修。

2 現(xiàn)有高溫氣冷堆維修工藝

針對高溫氣冷堆的維修，清華大學針對HTR-10 MW主氦風機維修提出了一種維修工藝，具體如下[4]：

1)用第一隔離膜將主氦風機壓力殼和蒸汽發(fā)生器壓力殼圍住，并密封第一隔離膜，如圖2所示；

圖2 HTR-10 主氦風機維修方案示意圖Fig.2 Schematic of maintenance of helium circulator in HTR-10

2)分離第一隔離膜，將主氦風機與蒸汽發(fā)生器分離，且使第一隔離膜和蒸汽發(fā)生器壓力殼形成一密封的空間，將主氦風機移至維修位；

3)將一氣囊放置在蒸汽發(fā)生器壓力殼法蘭開口處的第一隔離膜上，氣囊將蒸汽發(fā)生器法蘭開口密封；

4)用第二隔離膜將主氦風機壓力殼和蒸汽發(fā)生器壓力殼圍住，密封第二隔離膜；卸下氣囊和第一隔離膜，回裝所述氦氣循環(huán)風機。

該維修工藝作為國內首次引入氣氛隔離措施的高溫氣冷堆維修工藝，于2012年在HTR-10 MW機組實施。但該維修工藝貼膜工藝復雜，因隔離膜尺寸過大操作困難，存在隔離膜破損后會造成氦氣泄漏和放射性粉塵釋放的風險。

3 控制棒驅動機構維修方案

針對HTR-PM的結構和現(xiàn)有高溫氣冷堆維修工藝的特點，本文提出一種剛性連接的HTR-PM控制棒系統(tǒng)維修工藝和維修設備。通過類似手套箱操作的方式，施工人員在氣氛隔離裝置外在線依次對控制棒驅動機構與頂蓋法蘭面、控制棒與環(huán)鏈之間進行分離，并將分離后的控制棒驅動機構轉移至一回路環(huán)境以外，進行維修和更換。

3.1 維修設備

該HTR-PM控制棒驅動機構維修設備具體包括支撐部件、氣氛隔離主艙室、隔離門組件、轉運艙、氣氛控制系統(tǒng)、環(huán)鏈提升機構和控制棒固定裝置等組成，整體布置如圖3所示。各組成部分的主要功能和結構特點如下：

圖3 HTR-PM控制棒驅動機構維修設備布置示意圖Fig.3 Arrangement of maintenance equipment for the HTR-PM control rod drive mechanism

1)支撐部件是由型鋼拼裝的框架結構，將整個維修設備支撐在壓力容器頂蓋上，并可以將主艙室調平。支撐部件共設有6個支撐腿，其中3個支撐在頂蓋主法蘭上端面，3個支撐在頂蓋封頭上。

2)氣氛隔離主艙室由殼體、支撐骨架、密封板組件、手套和觀察窗等組成，其構建了密封艙室，為控制棒驅動機構拆卸提供了密封環(huán)境。氣氛隔離主艙室通過密封墊與頂蓋控制棒管嘴上端面和外側圓弧面實現(xiàn)密封。

3)隔離門組件由殼體、支撐骨架、自動門組件等組成，隔離門組件用于遠程打開或關閉主艙室，以便控制棒驅動組件轉運進、出氣氛隔離主艙室。隔離門組件通過卡扣的形式快速固定在主艙室上方。

4)轉運艙由殼體、支撐骨架、電動葫蘆、手套和觀察窗等組成，其中電動葫蘆用于提升控制棒驅動機構。轉運艙一方面為控制棒驅動機構的裝入和拆出提供一個過渡空間，即將轉運艙內的氣氛置換為氦氣環(huán)境再接入主艙室；另一方面作為將拆卸后的控制棒驅動機構轉移至維修廠房的容器。轉運艙通過卡扣的形式快速固定在隔離門組件上方。

5)氣氛控制系統(tǒng)包括置換模塊和凈化模塊，置換模塊用于將隔離艙室的氣體初步置換為一回路氣體或空氣；凈化模塊通過內部循環(huán)的方式凈化維修艙室內的氣體，過濾掉氣氛中混合的顆粒物、水和氧。氣氛控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 氣氛控制系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of atmosphere control system

6)環(huán)鏈提升機構由驅動電機、鏈輪和導軌等組成，用于在相鄰直通式驅動機構不拆卸的前提下外置式驅動機構僅能提升200 mm的空間內，對約11 m長的環(huán)鏈進行提升，使控制棒提升至壓力容器頂蓋；環(huán)鏈提升機構通過導軌安裝在氣氛隔離主艙室的密封板組件上。

7)環(huán)鏈固定裝置用于在沒有環(huán)鏈連接情況下將控制棒臨時固定在壓力容器頂蓋上。

3.2 維修工藝

針對上述維修設備，HTR-PM具體維修工藝流程如下：

圖5 HTR-PM控制棒驅動機構維修工藝流程Fig.5 Maintenance process of HTR-PM control rod drive mechanism

3.3 試驗

目前本方案已經(jīng)通過了相關專家的技術評審，完成了加工制造，并開展了以下試驗：

1)控制棒驅動機構模擬體與主艙室、隔離門之間的功能測試和密封性測試；

2)隔離門與轉運艙之間的功能測試和密封性測試；以及轉運艙的承載試驗；

3)環(huán)鏈提升機構的功能試驗和承載試驗；

4)以99.99%的氮氣作為介質的氣體置換試驗。

試驗結果表面控制棒驅動機構維修設備和維修方案具備以下特性:

1)該控制棒驅動機構具有良好的密封性，各密封空間的泄漏率在0.1vol%/h以內，在維修過程中能有效防止一回路氦氣的泄漏及放射性石墨粉塵等物質的擴散，同時能阻擋雜質氣體和異物進入一回路，最大程度地保持一回路氦氣的純度；

2)施工人員通過主艙室和轉運艙上手套和觀察窗，并在轉運艙電動葫蘆的配合下，能實現(xiàn)驅動機構與頂蓋法蘭面之間、環(huán)鏈與控制棒之間的快速分離；

3)該維修工藝能安全有效維修24套控制棒驅動系統(tǒng)中的任意1套，而且維修設備結構緊湊，減少氣體置換過程中的氦氣用量。

圖6 HTR-PM控制棒驅動機構維修設備功能試驗Fig.6 Functional test of maintenance equipment for HTR-PM control rod drive mechanism

4)環(huán)鏈提升機構能有效提升環(huán)鏈，提升載荷大于300 kg，提升過程中有效避免環(huán)鏈在控制棒中心孔道內摩擦。

5)經(jīng)過氣氛控制系統(tǒng)的置換和內部循環(huán)凈化，維修艙室內氣氛的水分控制在100 ppm以下，氧氣控制在200 ppm以下。

4 結束語

所提出的HTR-PM控制棒驅動機構維修設備和維修工藝技術，能在維修過程中有效防止一回路氦氣的泄漏及放射性石墨粉塵等物質的擴散，同時能阻擋雜質氣體和異物進入一回路；并在氣氛隔離的環(huán)境下，維修人員通過手套箱快速實現(xiàn)控制棒驅動機構與壓力容器頂蓋之間、控制棒與環(huán)鏈之間快速分離，并將分離后的驅動機構轉運至維修廠房進行離線維修。整個維修過程施工人員無需進入氦氣環(huán)境下，在線接受放射性劑量小。該維修設備和維修工藝具備一定的推廣和借鑒價值。