核電站穩(wěn)壓器電加熱器絕緣失效問(wèn)題分析

王酹宇 劉世輝 吳俊峰

三門(mén)核電有限公司 浙江臺(tái)州 317112

1 分析背景

核電站穩(wěn)壓器電加熱器的主要功能是補(bǔ)償核反應(yīng)堆冷卻劑體積的變化,并控制一回路系統(tǒng)壓力變化在足夠小的范圍內(nèi),保證一回路系統(tǒng)壓力邊界完整性。電加熱器通過(guò)加熱介質(zhì)來(lái)升壓,從而達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的[1-2]。

電加熱器為直插浸入管包殼式,每個(gè)電加熱器均為獨(dú)立的單元。電加熱器內(nèi)有一個(gè)耐腐蝕的不銹鋼包殼,包殼一端用端塞焊接,另一端與密封的連接器焊接。連接器的端部與導(dǎo)體相連,導(dǎo)體再與鎳鉻耐熱合金電阻絲相連。不銹鋼包殼內(nèi)用氧化鎂絕緣介質(zhì)壓緊填滿(mǎn),作為絕緣材料。電加熱器的壓力邊界部分浸沒(méi)在核反應(yīng)堆冷卻劑中,輔助部分暴露在安全殼體內(nèi)。電加熱器組件的制造和安裝工藝較為復(fù)雜,在役核電站更換電加熱器施工難度大,由此產(chǎn)生的維修成本極高[3]。電加熱器在核電站穩(wěn)壓器中的位置如圖1所示。

圖1 電加熱器在核電站穩(wěn)壓器中位置

筆者針對(duì)某AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器發(fā)生的絕緣失效問(wèn)題進(jìn)行原因分析,探討更換電加熱器時(shí)的裝焊工藝優(yōu)缺點(diǎn),提出在電加熱器后續(xù)制造、更換過(guò)程中焊接工序的質(zhì)量監(jiān)督關(guān)注點(diǎn),為后續(xù)類(lèi)似設(shè)備的制造、修理提供參考。

2 問(wèn)題分析

2.1 現(xiàn)象

某AP1000壓水堆核電站核電機(jī)組熱試期間,發(fā)現(xiàn)電加熱器斷路器下游電纜與電加熱器的絕緣不合格,測(cè)得電加熱器對(duì)地電阻值為0.2 Ω,相間不導(dǎo)通,初步判斷為電加熱器內(nèi)電阻絲燒壞,并與不銹鋼包殼搭接造成短路。為查找原因,將該電加熱器從穩(wěn)壓器上切割后取出,返回制造廠進(jìn)行解體檢查。

2.2 解體檢查

為查找根本原因,對(duì)該電加熱器進(jìn)行了射線探傷,如圖2所示。對(duì)射線探傷照片進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)位于電阻絲和引出電極的焊接部位出現(xiàn)斷點(diǎn)。對(duì)斷點(diǎn)所在位置周?chē)?0 mm長(zhǎng)度范圍進(jìn)行切割解剖,確認(rèn)引出電極與電阻絲的焊接點(diǎn)末端出現(xiàn)電弧熔斷,電阻絲兩極之間、電阻絲與不銹鋼包殼之間有電弧燒痕,如圖3所示。仔細(xì)觀察兩個(gè)引出焊接點(diǎn),發(fā)現(xiàn)一端引出焊接點(diǎn)已基本熔化,另一端引出焊接點(diǎn)表面熔化不明顯。焊接點(diǎn)基本熔化的一端,電阻絲與引出電極的未焊接區(qū)域長(zhǎng)度是焊接點(diǎn)表面熔化不明顯一端的2～3倍,使電阻絲與引出電極在未焊接區(qū)域存在空隙。

圖2 電加熱器射線探傷

圖3 電阻絲斷點(diǎn)解剖

2.3 原因分析

電加熱器電阻絲焊接區(qū)域如圖4所示。由于引出電極的材質(zhì)為鎳,電阻率很小,電阻值幾乎為零,因此可以將引出電極視為等電位體。電阻絲材質(zhì)為Cr20Ni80高電阻合金,電阻率大,電阻值較大。電阻絲不同位置的電位不同,距離引出電極與電阻絲搭接焊接端越遠(yuǎn),電阻絲與引出電極的電位差就越大。圖4中,引出電極A中的a點(diǎn)與電阻絲d點(diǎn)的電位差最大。當(dāng)電阻絲與引出電極搭接區(qū)域未焊接部位較長(zhǎng)且又有間隙存在時(shí),電阻絲與電極之間的電位差更大。此處氧化鎂絕緣層厚度較薄,在高溫下易被擊穿產(chǎn)生電弧,導(dǎo)致該處溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升,絕緣失效,從而造成電阻絲電極之間、電阻絲與不銹鋼包殼內(nèi)壁之間產(chǎn)生電弧,最終導(dǎo)致電加熱器因電阻絲熔斷而失效。解體電加熱器發(fā)現(xiàn),電弧燒痕的原因?yàn)殡娮杞z與引出電極之間存在間隙。一旦這一間隙處由電位差產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),電阻絲和引出電極內(nèi)部的電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射,游離電子在電場(chǎng)作用下,以極高的速度運(yùn)動(dòng),游離電子相互間的碰撞產(chǎn)生劇烈發(fā)熱,周?chē)难趸V介質(zhì)由絕緣狀態(tài)變?yōu)闅怏w狀態(tài),電阻絲與引出電極之間開(kāi)始產(chǎn)生電弧燃燒,從而產(chǎn)生大量熱量,使附近區(qū)域的金屬材料燒損。

圖4 電阻絲焊接區(qū)域

通過(guò)分析可知,當(dāng)電阻絲與引出電極搭接焊縫短,電阻絲搭接末端未焊接部分存在間隙,且間隙部分的區(qū)域較長(zhǎng)等因素同時(shí)作用時(shí),會(huì)導(dǎo)致電加熱器絕緣失效問(wèn)題發(fā)生。

3 電加熱器焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比

AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器的結(jié)構(gòu)為直插浸入管包殼式,如圖5所示[4]。電加熱器處于高溫、高壓及核輻照環(huán)境,啟閉頻繁,并且承受啟停堆溫度的交替變化,極易發(fā)生損壞。從核電站穩(wěn)壓器電加熱器質(zhì)量問(wèn)題案例中可以發(fā)現(xiàn),電加熱器絕緣電阻不合格、連接電纜脫落、爆管、連接接頭燒損等質(zhì)量缺陷是主要問(wèn)題[5]。其中,電加熱器的裝焊質(zhì)量問(wèn)題占很大比重。

圖5 電加熱器結(jié)構(gòu)

CPR1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器中,元件與套管焊接結(jié)構(gòu)為電加熱器連接件+熔化環(huán)+電加熱器套管,如圖6所示。由于操作空間狹小,焊接方式為自動(dòng)鎢極氣體保護(hù)焊,需保證電加熱連接件、套管、熔化環(huán)三者精確對(duì)中[6]。

圖6 電加熱器焊接結(jié)構(gòu)

AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器垂直安裝在下封頭的套管中[7],采用角焊接的方式裝焊在穩(wěn)壓器下封頭套管上,如圖7所示。焊接方式為手工氬弧焊,由于空間的局限性,手工焊接難度較大。

圖7 電加熱器裝焊

兩種堆型電加熱器焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)比較可以看出,AP1000和CPR1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器裝焊工序中,母材和焊材都為不銹鋼材質(zhì),確保了耐腐蝕性能。

表1 電加熱器焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比

從電加熱器更換便利性角度比較,CPR1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器采用連接件與套管中間加入熔化環(huán)的方式,熔化環(huán)熔入焊縫,形成永久焊縫的一部分,焊接強(qiáng)度得到一定保證。切割、加工坡口、焊接操作都采用專(zhuān)用工具,自動(dòng)化程度高,相較于AP1000壓水堆核電站,更有利于核電站現(xiàn)場(chǎng)的更換操作。

從電加熱器焊接質(zhì)量檢查角度比較,CPR1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器完成焊接后,采用目視檢查、液體滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)三種檢驗(yàn)方式。而AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器連接件與套管的連接角焊縫只采取目視檢查和液體滲透檢測(cè)兩種檢驗(yàn)方式,焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方式前者更充分。

從焊縫結(jié)構(gòu)角度比較,兩種堆型穩(wěn)壓器電加熱器的連接焊縫都是一回路壓力邊界,對(duì)焊縫的質(zhì)量要求很高,AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器只有一道角焊縫,而CPR1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器則有角焊縫和對(duì)接焊縫兩道焊縫,增大了泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上比較,兩種堆型穩(wěn)壓器電加熱器焊接結(jié)構(gòu)不同,AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器運(yùn)行后電加熱器的更換是一個(gè)新的課題,需要重點(diǎn)關(guān)注四個(gè)方面。

(1) 在使用磨頭切割角焊縫時(shí),注意切割金屬粉末異物,避免粉末異物進(jìn)入內(nèi)部,影響清潔度和操作。

(2) 在去除角焊縫時(shí),要從內(nèi)側(cè)向外側(cè)打磨,避免傷及電加熱器套管。要根據(jù)打磨深度隨時(shí)測(cè)量套管端面與打磨區(qū)域間的尺寸,確保打磨量滿(mǎn)足圖紙坡口角度和深度要求,避免過(guò)度打磨。

(3) 由于AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器連接焊縫不進(jìn)行焊后射線探傷檢測(cè),因此應(yīng)在焊接首層和焊滿(mǎn)一半兩個(gè)階段采用層間液體滲透檢測(cè),確保焊接質(zhì)量。

(4) AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器連接焊縫采用手工氬弧焊,考慮到操作空間較小,操作中要注意焊接物飛濺問(wèn)題,避免傷及其它電加熱器。

4 焊接工藝改進(jìn)和監(jiān)督

根據(jù)電加熱器更換的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可知,電加熱器故障的根源在于電阻絲與引出電極連接接觸面太小,造成局部熔斷,導(dǎo)致絕緣失效。所以,焊接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵因素。電加熱器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用電阻絲螺旋纏繞、中間填充氧化鎂絕緣材料的方式,這樣既能夠擴(kuò)大導(dǎo)熱面積,提高傳熱效率,又能夠保證絕緣材料的完全密封。但是,這樣做電阻絲與引出電極的連接點(diǎn)存在連接面積較小、熱量容易集中的問(wèn)題。電阻絲與引出電極連接位置如圖8所示。對(duì)此,應(yīng)該擴(kuò)大焊接接觸面積,增加搭接焊縫,減小搭接末端未焊接部分的間隙,從而降低熱量的產(chǎn)生。通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)對(duì)比,電阻絲焊接方式改進(jìn)如圖9所示。改進(jìn)后,電阻絲第一圈采用平鋪纏繞,擴(kuò)大與引出電極的焊接面積,避免產(chǎn)生熱量集中的缺陷。

圖8 電阻絲與引出電極連接位置

圖9 電阻絲焊接方式改進(jìn)

從電加熱器的制造工藝流程分析,焊接操作是非常重要的工序,包括不銹鋼包殼上端與端塞的焊接、不銹鋼包殼下端與連接頭的焊接、電阻絲與導(dǎo)線棒電極的焊接、電加熱器套管與電加熱器連接件的焊接等多道焊接工序[8]?？梢?jiàn),對(duì)焊接工序的質(zhì)量監(jiān)督是重中之重,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注四個(gè)方面。

(1) 關(guān)注電加熱器密封焊接中環(huán)境的影響,要注意環(huán)境濕度的控制,最好在專(zhuān)用清潔室進(jìn)行焊接,控制好室溫和濕度,并保持溫濕度穩(wěn)定,避免電加熱器內(nèi)部封裝的氧化鎂絕緣介質(zhì)受潮,導(dǎo)致絕緣電阻值減小。

(2) 關(guān)注電阻絲與引出電極的焊接接觸面積,確保機(jī)械強(qiáng)度,避免電阻絲焊接過(guò)程中出現(xiàn)接觸不均勻的現(xiàn)象。

(3) 在進(jìn)行不銹鋼包殼與端塞的焊接時(shí),為避免焊接熱量過(guò)大導(dǎo)致焊接區(qū)域受熱不均勻產(chǎn)生較大的溫度梯度,導(dǎo)致氣孔、熱裂紋等焊縫缺陷,應(yīng)采用鎢極氣體保護(hù)焊等熱能量輸入較小的焊接方式,以快速、不擺動(dòng)、多道方式進(jìn)行焊接,并選擇低道間溫度和較大保護(hù)氣流量[9]。

(4) 在更換電加熱器時(shí),電加熱器套管與電加熱器連接件的焊接要注意套管坡口打磨深度和角度的控制。在手工氬弧焊過(guò)程中,要注意防護(hù)焊接飛濺物。層間焊縫打磨過(guò)程中,注意清潔度控制。液體滲透探傷檢測(cè)后,注意滲透液的去除情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

從對(duì)AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器絕緣失效問(wèn)題的處理中可以看到,各種堆型穩(wěn)壓器電加熱器的焊接工序是工藝難點(diǎn),也是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。在對(duì)電加熱器的更換過(guò)程中,裝焊工藝的控制、工藝成熟性及更換效率都有較高的要求。關(guān)注焊接工藝的適應(yīng)性和焊接輸入量等焊接參數(shù)的合規(guī)性,是質(zhì)量監(jiān)督的重點(diǎn)。筆者對(duì)AP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱器絕緣失效問(wèn)題進(jìn)行分析,提出焊接工藝改進(jìn)和質(zhì)量監(jiān)督關(guān)鍵點(diǎn),可以供相關(guān)技術(shù)人員參考。