核電廠穩(wěn)壓器電加熱器典型故障分析及改進(jìn)措施

尚 強(qiáng)，馮 寧，張 敏

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修二處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電站的“心臟”是核反應(yīng)堆，而穩(wěn)壓器則是“心臟”的“起搏器”。穩(wěn)壓器是壓水堆核電站（Nuclear Power Plant，NPP）的關(guān)鍵設(shè)備，起著維護(hù)系統(tǒng)壓力的作用。壓水堆核電站一回路穩(wěn)定運(yùn)行壓力為15.5MPa，穩(wěn)壓器是唯一處于汽水兩相狀態(tài)的主設(shè)備，其上部存在一定容積汽腔，根據(jù)負(fù)荷的不同，其水位在20%～60%之間變化。利用底部電加熱器和頂部噴淋設(shè)備來(lái)控制水-汽平衡，在正常功率波動(dòng)及中、小工況下，將主冷卻劑系統(tǒng)壓力變化控制在允許范圍內(nèi)，以保證反應(yīng)堆一回路壓力的穩(wěn)定，避免發(fā)生緊急停堆。若多根穩(wěn)壓器電加熱器發(fā)生故障，可能導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行壓力發(fā)生波動(dòng)，而造成非計(jì)劃停堆，將對(duì)機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。因此，穩(wěn)壓器電加熱器可靠運(yùn)行在壓水堆核電廠的安全運(yùn)行中起到非常重要的作用。

壓水堆核電廠穩(wěn)壓器電加熱器預(yù)期壽命大約為20 年。實(shí)際上，由于電加熱器所用材料的差異性及運(yùn)行操作、維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)不到位，少量電加熱元件的使用壽命會(huì)低于最小設(shè)計(jì)壽命。因此，必然會(huì)出現(xiàn)電加熱器失效的問(wèn)題，檢修或者更換是非常困難的，需要做大量的前期準(zhǔn)備及技術(shù)分析工作，且費(fèi)用很高。本文通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓器電加熱器的幾起典型故障進(jìn)行理論分析，找出故障的根本原因及解決方案，對(duì)穩(wěn)壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

1 穩(wěn)壓器電加熱器

國(guó)內(nèi)M310 型壓水堆機(jī)組穩(wěn)壓器底部共安裝有63 根電加熱元件，其中3 根備用，每根電加熱元件功率為24kW，共分為6 組[3]，通過(guò)穩(wěn)壓器下封頭插入穩(wěn)壓器，直接與穩(wěn)壓器內(nèi)的水進(jìn)行熱量傳導(dǎo)[1]。其中，4 組為固定式（即恒功率輸出），2 組為比例式（即依據(jù)壓力輸入電流信號(hào)比例輸出），總功率為1440kW，具體分配為：第1、2 組為固定式，每組功率為216kW；第3、4 組為比例式，每組功率為216kW；第5、6 組為固定式，每組功率為288kW。

其接線方式如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)壓器電加熱器配電圖Fig.1 Power distribution diagram of the voltage stabilizer electric heater

固定式電加熱器主要用在啟動(dòng)或瞬態(tài)過(guò)程，比例式電加熱器主要用來(lái)補(bǔ)償小范圍的穩(wěn)壓器壓力偏差。在反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行時(shí)，比例式電加熱器一方面補(bǔ)償熱量損失，另一方面補(bǔ)償由連續(xù)噴淋導(dǎo)致的蒸汽冷凝。穩(wěn)壓器電加熱器的輸出功率，必須與穩(wěn)壓器壓力和壓力整定值之差成比例。

2 典型故障案例分析

2.1 穩(wěn)壓器電加熱器連接箱端子排燒熔

某核電廠穩(wěn)壓器電加熱器就地連接箱由蘇州某公司供貨，單臺(tái)機(jī)組共6 臺(tái)設(shè)備，分別為XRCP010CR～XRCP060CR。其 中，050CR 和060CR 為1E 設(shè)備。連接箱進(jìn)線側(cè)連接電氣貫穿件，出線側(cè)連接電加熱元件，箱內(nèi)配有一定數(shù)量的魏德米勒SAK35EN 及SAK70/35 型接線端子。

在該核電廠1 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆熱態(tài)試驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)連接1RCP030CR 內(nèi)端子排出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)觀察，燒毀的端子為連接箱出線側(cè)引起，進(jìn)線側(cè)電纜為35mm 多股銅芯電纜絞合而成，直接接入端子排，出線側(cè)電纜為16mm 多股銅芯電纜絞合而成，采用“針狀鼻子”+“緊固螺絲”的壓緊方式接入端子排，每一組電加熱器接線如圖2 所示。

圖2 電加熱器組接線圖Fig.2 Wiring diagram of electric heater group

通過(guò)計(jì)算得出，進(jìn)線側(cè)電流IA=IB=IC=√3I1=√3I2=√3I3，約109A，出線側(cè)電流I1=I2=I3=24000 W/380V，約=63A。

從上述計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)的接線方式，分析得出以下結(jié)論：

由于進(jìn)出線電纜均采用多股銅芯電纜絞合而成，“針狀鼻子”+“緊固螺絲”的壓緊方式只能提供兩點(diǎn)接觸，不足以提供足夠大的接觸面積，而進(jìn)出線運(yùn)行電流均比較大，在電加熱器運(yùn)行一段時(shí)間后，端子排易發(fā)熱松動(dòng)，進(jìn)而燒毀端子排。

同樣的問(wèn)題在某核電廠3 號(hào)機(jī)組調(diào)試期間也發(fā)生過(guò)，后通過(guò)變更改造，采用面接觸的螺栓固定端子排以及0-T型接線端子配合連接，改造后至今運(yùn)行良好，未出現(xiàn)異常狀況。

通過(guò)此次缺陷事件，制定了以下整改措施：

1）提出變更申請(qǐng)，采用面接觸的接線端子替代原接線端子，如圖3 所示。

圖3 連接箱端子排改造前后對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram before and after modification of the terminal block of the connection box

2）排查緊固所有供電回路上的接線端子（包括配電盤出線側(cè)、電氣貫穿件、連接箱、接線盒），確保所有的端子均緊固完好。

后期，通過(guò)自主論證設(shè)計(jì)，核級(jí)連接箱（1RCP050CR/060CR）接線端子同樣改為面接觸方式（銅排）。

2.2 穩(wěn)壓器電加熱元件故障分析

某核電廠穩(wěn)壓器電加熱器（如圖4 所示）供貨商為法國(guó)THERMOCOAX 公司，2014 年9 月至2014 年11 月，該核電廠1 號(hào)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中，穩(wěn)壓器電加熱器先后出現(xiàn)（46#、14#、25#、13#、3#、28#）電加熱元件失效不可用。具體原因見(jiàn)表1。

圖4 電加熱元件主要結(jié)構(gòu)型式Fig.4 Main structure type of electric heating element

表1 電加熱器損壞列表Table 1 List of electric heater damage

隨后，核電廠組織工程公司、設(shè)備制造單位、電加熱器供貨商、安裝單位等組成聯(lián)合調(diào)查組實(shí)地查看，并初步調(diào)查了事件的過(guò)程。調(diào)查組通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1）所有加熱器均未安裝翅狀散熱器。

2）保溫層包裹不完整，有明顯縫隙，不符合保溫安裝規(guī)范，導(dǎo)致電加熱元件表面溫度受到熱輻射，溫度過(guò)高。

3）部分加熱元件保溫層過(guò)厚，保溫層將加熱元件的散熱部分包裹，影響了散熱效果。

4）現(xiàn)場(chǎng)原通風(fēng)設(shè)計(jì)散熱效果不佳，電加熱元件自帶電纜綁扎混亂，不利于散熱。

熱態(tài)試驗(yàn)期間，熱成像儀顯示穩(wěn)壓器底部某些部位表面溫度曾經(jīng)高達(dá)291.9℃，如圖5 所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)壓器電加熱器實(shí)際要求的溫度限值。

圖5 熱試期間穩(wěn)壓器底部熱成像圖Fig.5 Thermal image of the bottom of the regulator during the hot test

法國(guó)THERMOCOAX 公司聯(lián)合穩(wěn)壓器制造單位進(jìn)行了原因分析，對(duì)電加熱器填充的環(huán)氧樹脂、電加熱器的熱老化影響因素進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終給出了電加熱器失效的機(jī)理。

2.2.1 電加熱器環(huán)氧樹脂溫度限值分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察不難看出，個(gè)別損壞的電加熱器的填充樹脂已經(jīng)斷裂掉落，初步分析可能是環(huán)氧樹脂的耐熱性能超過(guò)了溫度限值。電加熱器選擇Stycast2762 型環(huán)氧樹脂加17 型催化劑作為連接端的填充物，該填充物具有低收縮率、低熱膨脹系數(shù)、高溫度阻抗的特點(diǎn)，已經(jīng)有30 多年的使用經(jīng)驗(yàn)[2]。

溫度限值以下樹脂能夠確保電加熱器有良好的物理和電氣性能，且環(huán)氧樹脂的老化會(huì)非常的緩慢，有利于電加熱器長(zhǎng)時(shí)間使用。但環(huán)氧樹脂在溫度限值以上會(huì)受到嚴(yán)重的損害，使用中必須對(duì)樹脂在高溫狀態(tài)下失效的過(guò)渡溫度進(jìn)行評(píng)估，以便給出防止Stycast 型環(huán)氧樹脂在高溫下過(guò)快老化的溫度限值。

使用膨脹測(cè)量法在室溫至230℃的不同溫度環(huán)境下對(duì)一批電加熱器進(jìn)行了電氣性能和機(jī)械性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Stycast 型環(huán)氧樹脂的過(guò)渡溫度限值為140℃[2]。顯然，該機(jī)組熱試階段電加熱器的表面溫度已經(jīng)大大超過(guò)了該溫度限值，故而環(huán)氧樹脂出現(xiàn)了過(guò)熱燒斷的現(xiàn)象。

2.2.2 電加熱器的熱老化壽命分析

核電廠穩(wěn)定運(yùn)行要求電加熱器的使用最小壽命，在額定功率下工作10000h，在1/2 額定功率下工作20000h，如果嚴(yán)格按照實(shí)際情況進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)測(cè)試其熱老化壽命不但耗時(shí)，還要耗費(fèi)大量的人力、物力，也滿足不了工程的要求。為了解決這一矛盾，此次驗(yàn)證試驗(yàn)引入了加速壽命試驗(yàn)。

法國(guó)THERMOCOAX 公司對(duì)樣品進(jìn)行了不同溫度下熱老化試驗(yàn)，觀測(cè)“快速”動(dòng)態(tài)彈出現(xiàn)象。由于試驗(yàn)主要進(jìn)行熱老化性能試驗(yàn)，因而電加熱器本身未通電，而選擇放在熱烘干箱中模擬。

按照上述加速失效條件對(duì)2 組樣品進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示隨著溫度的升高，填充樹脂狀態(tài)逐步發(fā)生變化。250℃持續(xù)48h，模擬件一環(huán)氧樹脂在連接頭外開(kāi)始膨脹。275℃持續(xù)75h，模擬件二環(huán)氧樹脂在連接頭外加速膨脹，電加熱器完成性已經(jīng)失效如圖6 所示。

圖6 不同溫度下填充物狀態(tài)圖Fig.6 State diagram of fillings at different temperatures

電加熱器超負(fù)荷工作期間，內(nèi)部承受熱老化、高電壓等沖擊，由此產(chǎn)生空隙、裂紋等缺陷（如圖6 所示），這些缺陷會(huì)降低電加熱器自身的絕緣電阻，在連接頭內(nèi)部產(chǎn)生電弧，發(fā)生短路，進(jìn)而擊穿環(huán)氧樹脂層，造成電加熱元件失效。目前，尚不清楚有多少根電加熱元件環(huán)氧樹脂遭受了高溫的破壞，且無(wú)法確定持續(xù)時(shí)間，因而其余電加熱器的剩余壽命或許更短。

2.2.3 解決策略

◇ 短期解決方案

1）安裝翅狀散熱器

按照RCC-E 標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)壓器連接頭溫度不應(yīng)超過(guò)50℃，供應(yīng)商提供的翅狀散熱器驗(yàn)證性能顯示，安裝散熱器能有效降低連接頭表面溫度至少40℃。

2）調(diào)整防火包裹層

表3 某大修穩(wěn)壓器電加熱器部分溫濕度記錄Table 3 Some temperature and humidity records of the electric heater of a certain overhauled voltage stabilizer

重新對(duì)穩(wěn)壓器底部保溫層進(jìn)行纏繞封扎，保溫層不超過(guò)焊接法蘭面，且不留縫隙。

3）對(duì)所有電加熱元件自帶電纜進(jìn)行重新固定排列，增大散熱面。

4）調(diào)整通風(fēng)管道及通風(fēng)口位置，增加穩(wěn)壓器底部的通風(fēng)量。

◇ 長(zhǎng)期解決方案

a）在首次大修期間，更換損壞的電加熱元件

大修開(kāi)始后，再次發(fā)現(xiàn)3 根電加熱元件絕緣電阻性能失效，對(duì)兩次已損壞的電加熱元件全部更換。

b）在電加熱器連接端自帶連接電纜位置，安裝核級(jí)專用指套管，密封連接端頭，降低濕氣進(jìn)入填充物內(nèi)的可能性。

通過(guò)以上措施只能解決已經(jīng)出現(xiàn)的顯象問(wèn)題，對(duì)于其它的隱形電加熱元件損傷卻無(wú)能為力，其它電加熱元件隨時(shí)有再次出現(xiàn)故障的可能，要消除缺陷或者減緩電加熱器失效速度，需要制定更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的策略。

3 穩(wěn)壓器電加熱器實(shí)施維護(hù)保養(yǎng)

經(jīng)過(guò)調(diào)研，考慮到目前穩(wěn)壓器電加熱器實(shí)際隱形損傷情況，綜合適用性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施窗口等因素，有3 種方案可供選擇：

方案1：保持目前所有電加熱器狀態(tài)，不加干預(yù)，達(dá)到自然失效的效果。

方案2：在大小修期間，通過(guò)一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的防潮除濕保養(yǎng)方案，使穩(wěn)壓器電加熱器長(zhǎng)期保持在一種適度的環(huán)境下，減緩電加熱器失效速度。

具體方案如下：

◇ 臨時(shí)封堵穩(wěn)壓器底部房間內(nèi)所有孔洞。

◇ 房間內(nèi)布置暖風(fēng)機(jī)及除濕機(jī)，溫度要求≤40°，濕度要求≤30%。

◇ 不間斷監(jiān)測(cè)臨時(shí)設(shè)施、溫濕度及絕緣變化情況。

方案3：所有電加熱器元件一次性全部更換。

綜合考慮（見(jiàn)表2），決定采用方案2 作為穩(wěn)壓器電加熱器后續(xù)實(shí)施策略。

表2 3種電加熱器處理方案對(duì)比分析Table 2 Comparison and analysis of three electric heater treatment schemes

目前，該核電廠已經(jīng)實(shí)施了5 次換料檢修，通過(guò)實(shí)施的穩(wěn)壓器電加熱器維護(hù)保養(yǎng)專項(xiàng)工作，除了105 大修期間出現(xiàn)一根電加熱元件絕緣性能失效，未發(fā)現(xiàn)其它電加熱器失效事件，也驗(yàn)證了方案2 的有效性。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了幾起穩(wěn)壓器電加熱器常見(jiàn)典型故障案例，針對(duì)調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)壓器電加熱器連接箱端子排燒毀事件，通過(guò)調(diào)查研究，采用了更加可靠的連接方式，完成了對(duì)連接箱接線端子的修改。通過(guò)數(shù)據(jù)分析以及故障模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高溫對(duì)環(huán)氧樹脂的不可逆損傷，對(duì)于未知的電加熱元件，通過(guò)實(shí)施維護(hù)保養(yǎng)策略，緩解了電加熱器老化損壞的速度。

目前，本公司已完全自主掌握穩(wěn)壓器電加熱器更換這項(xiàng)核心技術(shù)[1]，不僅打破了國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，也成功實(shí)現(xiàn)對(duì)外服務(wù)，給公司帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是提高了核電廠的安全性能，有力地保障了國(guó)內(nèi)核電機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)能力。