核電蒸汽發(fā)生器堵管技術(shù)研究進展及其 在高溫氣冷堆的應(yīng)用前景

劉福廣，楊二娟，李 勇，米紫昊，王艷松，劉 剛，雒曉濤

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

高溫氣冷堆具有安全、可模塊化設(shè)計與建造及多用途等特性，被認為是最有前途的第四代反應(yīng)堆堆型[1]。作為第四代核電技術(shù)的先進代表堆型，石島灣200 MW高溫氣冷堆核電站是我國最新設(shè)計和開發(fā)的第一座具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、具備商用規(guī)模的模塊式高溫氣冷堆示范型核電站，也是全球范圍內(nèi)首座商業(yè)化運行的第四代核電站[2]。

蒸汽發(fā)生器（SG）是高溫氣冷堆（HTGR）核電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一。在SG中，傳熱管是一回路壓力邊界的重要組成部分，是防止放射性裂變產(chǎn)物外泄的重要屏障，也是一回路系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，其總面積占一回路冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的80%以上[3]。服役過程中，傳熱管長期在微動磨損、冷卻介質(zhì)的沖刷、高溫及高壓運行環(huán)境下會產(chǎn)生機械或化學形式損傷，如防振條對傳熱管外壁的微振動磨損，一次側(cè)應(yīng)力腐蝕與二次側(cè)晶間腐蝕等[4]。上述失效一旦造成傳熱管破損，將會發(fā)生放射性冷卻劑外泄，造成嚴重的負面社會反響和巨大的經(jīng)濟損失，因此需要從給水端和主蒸汽出口兩端對破損的傳熱管進行封堵，避免出現(xiàn)重大安全事故。與在役壓水堆SG系統(tǒng)相比，HTGR中一回路的冷卻介質(zhì)由高壓水蒸氣更換為分子尺寸顯著減小、滲透性更強的高壓高溫氦氣，SG傳熱管的服役溫度更高，一次側(cè)高溫端的溫度由343 ℃ 提高到750 ℃，二次側(cè)的主蒸汽出口溫度由316 ℃提高到570 ℃，主蒸汽壓力由8.6 MPa 提高到14.1 MPa[5]。

自動化機械堵管技術(shù)在壓水堆SG已經(jīng)得到了大量驗證和廣泛應(yīng)用，但在運行溫度大幅度提高后，機械堵管方法可能會因高溫下的應(yīng)力松弛而喪失密封性，導致堵管失效，因此適用性存疑；其次，與常規(guī)壓水堆中的SG相比，我國石島灣核電站的2座HTGR中SG的入水端與主蒸汽出口端管板直徑從4 m減小到僅約0.8 m，操作空間顯著減小，導致現(xiàn)有自動化裝備在通過性和工作面可達性方面存在困難，不滿足使用要求。另外，現(xiàn)有機械堵管及新型焊接堵管技術(shù)形成的堵頭在更高溫及更高壓下的長期服役安全性也未得到驗證。

對此，本文總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有SG堵管技術(shù)，并以HTGR-SG的運行條件評判了現(xiàn)有堵管技術(shù)的適用性，最后提出了面向HTGR-SG堵管技術(shù)的發(fā)展方向，以期為適用于HTGR-SG的自動化堵管技術(shù)發(fā)展提供指導。

1 現(xiàn)有核電蒸汽發(fā)生器堵管技術(shù)

目前蒸汽發(fā)生器制造過程的返修和蒸汽發(fā)生器在役維修中的堵管方式主要包括機械堵管和焊接封堵2種方式以及由此衍生出來的機械與焊接復(fù)合堵管技術(shù)。

1.1 機械堵管技術(shù)

機械堵管技術(shù)是一種采用機械作用力通過塑性變形與殘余彈性應(yīng)力使堵頭外壁與傳熱管內(nèi)壁及管板管孔緊密貼合的堵管技術(shù)，由于方法簡便、技術(shù)成熟度高，因此發(fā)展最為成熟，是目前國內(nèi)外壓水堆核電站中應(yīng)用最為廣泛的傳熱管維修技術(shù)。根據(jù)技術(shù)原理的不同，其主要有輥脹式機械堵管和拉拔式機械堵管2種技術(shù)路線。近年來，我國運行的核電站中 APl000、CNP600和M310等堆型的蒸汽發(fā)生器均有傳熱管堵管的施工需求，并實施了輥脹式或拉拔式堵頭的安裝[6-8]。

輥脹式機械堵管技術(shù)的工作原理與傳熱管在焊接前的脹管原理相同，其裝置外觀如圖1所示。

首先利用輥脹工具通過在堵頭末端施加軸向力將如圖1a)所示的輥脹式堵頭脹接到需修復(fù)的傳熱管內(nèi)壁，堵頭發(fā)生塑性變形，傳熱管及管板的管孔內(nèi)壁局部發(fā)生彈性變形，輥脹后的殘余應(yīng)力及管板對傳熱管和堵頭的接觸壓力可保證堵頭的密封性能，并可承受二次側(cè)水壓試驗壓力，手工操作方法如圖1b)所示。由于該技術(shù)實施過程中采用一種實心的輥脹式管塞，可插入泄漏管/管板的任何深度， 并可手動安裝，因此具有較高的靈活性和易用性。該管塞具有機械接觸密封，經(jīng)過嚴格測試后，許用壓力可達48 MPa。由于額定壓力較高，因此該輥脹塞可在高壓下使用[9]，但堵管時需施加的載荷也較高，同時殘余應(yīng)力水平也較高，為安全施工與安全服役帶來隱患。

除輥脹式機械堵管技術(shù)外，拉拔式機械堵管技術(shù)是另一種得到廣泛應(yīng)用的機械堵管技術(shù)。由于美、法、俄、日、德、韓等國壓水堆核電技術(shù)發(fā)展較早，其相關(guān)安全保障技術(shù)發(fā)展的更為系統(tǒng)，也更早地制定了相關(guān)的安全規(guī)范與堵管技術(shù)標準。國內(nèi)主要是在技術(shù)引進、吸收的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，如中核核電運行管理有限公司、核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司、中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司和上海核工程研究設(shè)計院有限公司[10-15]等單位均在拉拔式機械堵管方面開展了系統(tǒng)研究與二次開發(fā)工作，并已實現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)在壓水堆SG的應(yīng)用。核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司魏青等[15]提出了一種如圖2所示的拉拔式機械堵管裝置。

套管一端開口一端封閉，整個內(nèi)腔呈錐形，開口端內(nèi)腔直徑小于封閉端內(nèi)腔直徑，套管外壁有一系列深度逐漸變化的環(huán)形槽狀牙型齒，用于多重密封。深色滑塊前后的外徑也呈錐形，與套管相互配合?；瑝K前端直徑較小并帶倒角，便于拉伸前進，滑塊的尾部直徑較大，拉伸停止后便于滑塊自鎖，防止反向運動。另外，對于套管外壁牙型結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明，齒寬與齒數(shù)對堵頭的拉脫強度有顯著影響，齒寬與齒數(shù)的增加使得套管與傳熱管內(nèi)壁的機械嵌合力與封頭的密封性均提高，但裝配時需要的載荷也更高，增加了裝配難度。

1.2 焊接堵管技術(shù)

焊接堵管技術(shù)是一種采用焊接方法將堵頭材料與管板中管孔周邊形成局部冶金熔合，利用金屬熔合達到較高強度與密封性能的堵管技術(shù)。與機械堵管技術(shù)相比，焊接堵管技術(shù)接頭的強度呈數(shù)量級提高，其在服役過程中的可靠性更高，對材料可焊性較好的管子及管板的換熱器都可采用該維修方式，因此其是目前壓水堆SG堵管技術(shù)的重要發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)的應(yīng)用尚未見公開報道。公開的焊接堵管技術(shù)應(yīng)用主要集中在國外，報道的焊接方法主要有鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護焊（MIG）2種。

2.1 兩組圍術(shù)期指標比較 觀察組手術(shù)時間、術(shù)后肛門排氣時間及住院時間均短于對照組(P<0.05)；觀察組術(shù)中出血量少于對照組(P<0.05)。見表1。

西屋公司的F型蒸汽發(fā)生器在堵管施工過 程中（圖3），首先采用金屬材質(zhì)的堵頭塞將管孔堵住（圖3a)），該堵頭利用水壓可以暫時固定在管孔上；其次選用特定的焊材通過TIG將堵頭端面圓周通過環(huán)焊縫與管孔進行焊接，成型后的封堵頭如圖3b)所示。

日本TORQ SEAL?用旋轉(zhuǎn)鉆進的方式將堵頭安裝在堵管機構(gòu)前端，通過視覺裝置識別對應(yīng)管孔位置，將堵頭送達至指定位置，經(jīng)過MIG通過環(huán)形焊縫對傳熱管進行封堵，封堵后的堵頭外形如圖4所示。

為避免常規(guī)機械堵管中存在的極高殘余應(yīng)力與傳熱管的大量塑性變形，章貴和等[16]針對壓水堆SG設(shè)計了一種用于焊接堵管的堵頭結(jié)構(gòu)，堵頭與蒸汽發(fā)生器管板的裝配結(jié)構(gòu)如圖5所示。堵頭主要由2部分構(gòu)成：薄壁段通過定位脹管實現(xiàn)與管孔的貼合，該部分與鎳基堆焊層通過自熔焊密封連接；厚壁段帶螺紋，主要用于工藝定位。

作者證實該堵頭采用TIG自熔焊焊接工藝，具有良好的密封性能和力學性能。作者進一步采用有限元數(shù)值計算方法對堵頭在自熔焊焊接后的殘余應(yīng)力進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，在原管子管板焊縫的直角開槽處會形成殘余應(yīng)力的局部集中，可通過圓角過渡改善局部應(yīng)力狀態(tài)，但該優(yōu)化建議在工藝實施方面具有較高難度，需要通過現(xiàn)場裝備在線對SG管板的管孔進行機加工，對運載裝置的剛度、定位精度、機加工部件及操作過程要求較高。此外作者并未通過試驗對有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果進行驗證。

除上述2種堵管策略外，還可通過將機械堵管與焊接堵管技術(shù)進行復(fù)合，有望結(jié)合機械堵管與 焊接堵管的優(yōu)勢，顯著提高堵頭的強度、密封性 能與服役壽命。但操作難度與機構(gòu)復(fù)雜程度將顯著提高，在狹小的場地條件下其現(xiàn)場操作性面臨著巨大挑戰(zhàn)。

2 核電SG堵管自動化裝備開發(fā)

核電SG的放射性環(huán)境會給維修人員帶來人身安全隱患，這一問題受到越來越多的關(guān)注。另外，從業(yè)人員的素養(yǎng)也會給修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定性帶來起伏。對此，核電技術(shù)發(fā)展較早的美國、法國、日本、德國等發(fā)達國家較早開展了SG堵管檢修機器人應(yīng)用研究，我國也在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了相關(guān)的開發(fā)工作，取得了較大的成果并實現(xiàn)了應(yīng)用。

2.1 自動化負載與定位系統(tǒng)研發(fā)

負載與定位系統(tǒng)負責將維修用到的機構(gòu)與配件按照工藝要求準確運輸?shù)街付üぷ鼽c，且可按照維修工藝規(guī)范實現(xiàn)不同工具與配件之間調(diào)換的自動化裝備，其發(fā)展主要以各種不同類型的機器人為代表。比較有代表性且實現(xiàn)廣泛應(yīng)用的有美國西屋公司的ROSA和Pegasys系列機器人、日本三菱重工的MR系列、法國法馬通公司的Armis與COBRA系統(tǒng)、德國HansWalischmille公司的TELBOT系統(tǒng)等[17-22]。最終在工作面進行堵管的自動化裝置的結(jié)構(gòu)形式主要有爬行式和關(guān)節(jié)式2種，其機器人各有特點。爬行式機器人主要利用SG管板的管孔進行定位，具有剛度高、穩(wěn)定性好的特點，但通常僅適用于面積較大的管板面，在狹小空間內(nèi)的可達性存在一定的問題。關(guān)節(jié)式自動化裝備與常用的工業(yè)機器人為同一類裝備，技術(shù)成熟度高、機械臂自由度更多，可達性好，但基準點的高精度定位較難，小型化與機械臂末端剛度提高的需求互為矛盾。

韓國原子能研究院（KAERI）針對小型化核電站的在役返修問題，設(shè)計了一種移動機器人定位檢查和維修工具系統(tǒng)，系統(tǒng)示意如圖6所示。該系統(tǒng)采用的即為爬行機器人，整個系統(tǒng)通過網(wǎng)籃利用管孔定位懸掛在管板上。爬行機器人的所有驅(qū)動機構(gòu)均由電機驅(qū)動，該裝備的總體結(jié)構(gòu)如圖6a)所示，工作于管板面的爬行機器人如圖6b)所示。

段星光等人[23]開發(fā)了一種高精度的關(guān)節(jié)式自動化堵管負載與定位系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)與組成如圖7所示。

胡卉樺等[24]針對高溫氣冷堆SG管板面工作空間狹小的特征提出了一種軌道式的管板定位機器人，總體結(jié)構(gòu)由定位錨、姿態(tài)調(diào)整單元、折疊骨架以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4部分組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。

機構(gòu)整體固定在進水端或主蒸汽出口端管箱的法蘭盤上，通過螺栓與管箱固定；定位錨通過快換盤連接在姿態(tài)調(diào)整單元上，姿態(tài)調(diào)整單元通過螺栓安裝在折疊骨架的單軸驅(qū)動器上，折疊骨架通過轉(zhuǎn)接板安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上。機器人控制方面，考慮到管板為直徑較小的圓形，因此該機器人采用圓柱坐標系的運動形式，將定位任務(wù)分解為旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 的圓周運動，雙軸驅(qū)動器的徑向運動與擺動，以 及伸縮氣缸的軸向運動。該系統(tǒng)的最大攜帶載荷為22 kg，機器人整體質(zhì)量不大于40 kg，單個模塊質(zhì)量不大于15 kg，機器人運動誤差小于2 mm。

王立權(quán)等[25]也面向核電SG自動化堵管技術(shù)進行了多功能機械手系統(tǒng)的研發(fā)。該機械手具有多種功能，可用于傳熱管渦流檢查、超聲檢查、堵管和襯管等任務(wù)。該系統(tǒng)主要由腳部和6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。模塊化設(shè)計不僅提高了機械手的可靠性和可維護性，還使其能夠適應(yīng)不同型號蒸汽發(fā)生器的檢修需求。

基于圖像識別的定位裝置是自動化堵管系統(tǒng)的眼睛，裝置的開發(fā)對自動化堵管系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。Hitachi公司（日立）設(shè)計了基于圖像法的管孔識別裝置，可以對特定的管孔進行封堵操作，其數(shù)字化操作界面與硬件系統(tǒng)如圖9所示。

2.2 自動化堵管作業(yè)模塊設(shè)計

機器人中的運載與定位系統(tǒng)負責將工作頭移動到需要封堵的管孔位置，直接進行封堵作業(yè)的則為堵管作業(yè)模塊。但由于作業(yè)模塊為核心部件，目前的公開報道相對較少，且主要為用于機械堵管的裝置。機械堵管過程中由于需要較高的載荷將堵頭強行塞入管孔，拉拔式機械堵管還需要通過反向提拉的方式迫使傳熱管發(fā)生塑性變形，因此多采用電機或者液壓裝置進行驅(qū)動。韓國原子能研究院公開報道的一種機械堵管工作頭如圖10所示，該裝置一次裝夾2枚堵頭，可通過直流電機驅(qū)動實現(xiàn)堵頭的旋轉(zhuǎn)換位[18]。當堵頭處于目標工作位置后，分離器處于鎖死位置，電機通過垂直位移實現(xiàn)堵頭的機械嵌入。

3 現(xiàn)有堵管技術(shù)在高溫氣冷堆應(yīng)用 面臨的挑戰(zhàn)及改進方向

目前幾乎所有的自動化堵管技術(shù)都是基于壓水堆核電蒸汽發(fā)生器開發(fā)的，與壓水堆SG相比，HTGR-SG的管板直徑由4 m降到約0.8 m，工作面直徑減小近一個數(shù)量級；一次側(cè)與二次側(cè)溫度顯著提高，二次側(cè)的高溫蒸汽壓力也顯著提高；一次側(cè)的換熱介質(zhì)由高溫水蒸氣變?yōu)闈B透性更高的氦氣，因此還不能將現(xiàn)有的自動化堵管裝備應(yīng)用于HTGR-SG?，F(xiàn)有堵管技術(shù)在高溫氣冷堆應(yīng)用主要存在的問題見表1。

表1 現(xiàn)有堵管技術(shù)在高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器的適用性總結(jié) Tab.1 A summary of the applicability of the present plugging processes in HTGR-SG

首先，堵管工作頭能否到達工作面是實現(xiàn)自動化堵管的前提，由于壓水堆SG管板直徑約為HTGR-SG的5倍以上，目前基于壓水堆開發(fā)的關(guān)節(jié)式或爬行式運載與定位機器人的尺寸過大，難以通過直徑較小的管箱到達工作面。同時，在傳統(tǒng)SG堵管領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的爬行式機器人，由于需要通過管孔與機器人支柱連接實現(xiàn)機器人的固定與移動，這會導致堵管作業(yè)單元難以到達邊緣管孔，且在狹小空間的位置可達性也存在問題。

其次，機械堵管與焊接堵管技術(shù)均未在 HTGR-SG得到實驗驗證。一方面，在機械堵管技術(shù)中，隨著堵頭材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與幾何尺寸的優(yōu)化，機械堵頭目前已被用于48.3 MPa的許用壓力下，許用溫度也達到595 ℃左右[22]，但該溫度下的長效服役特性驗證結(jié)果尚未見報道。雖然其許用壓力滿足HTGR-SG工況要求，但HTGR-SG一次側(cè)氦氣入口溫度高達750 ℃，機械堵管堵頭與傳熱管內(nèi)壁是通過塑性變形緊密貼合，通過彈性殘余應(yīng)力獲得高的張緊應(yīng)力。當服役溫度超過材料的去應(yīng)力退火溫度時，殘余應(yīng)力將消失，這會造成堵頭的拉脫強度降低，可能會出現(xiàn)堵頭松動、泄露甚至在傳熱管內(nèi)移位等形式的失效。另一方面，對焊接堵管技術(shù)，由于堵頭與傳熱管及管板之間為冶金結(jié)合，在保證焊接質(zhì)量的前提下密封性與拉脫強度將會顯著提升。但如果堵頭與焊材等選擇不當，將會促進應(yīng)力腐蝕開裂，甚至出現(xiàn)重大事故。1989年，在弗吉尼亞州北安娜核電站1號機組，一處Alloy-600TT材質(zhì)的機械堵頭由于頂部腐蝕發(fā)生斷裂并與換熱內(nèi)壁脫離，在一回路壓力作用下沿傳熱管向上運動并刺穿了傳熱管的U形彎管段，致使一回路冷卻劑泄漏進而發(fā)生強制停堆的重大事故[15]。一旦堵頭在服役過程中發(fā)生失效，還需對堵頭進行拆除，但焊接堵管的去除難度顯然高于機械堵管，因此需通過提升封堵作業(yè)的穩(wěn)定性與可靠性來降低二次拆除的可能與風險。

同時，由于HTGR-SG換熱介質(zhì)、溫度和壓力條件均與壓水堆不同，主要表現(xiàn)為一回路換熱介質(zhì)為氦氣，滲透性更強；水與水蒸氣的溫度與壓力更高，特別是主蒸汽出口端的傳熱管被封堵后，有可能出現(xiàn)傳熱管局部暴露于溫度高達750 ℃的氦氣當中。主蒸汽出口段的材質(zhì)主要為Incoloy 800H鎳基高溫合金，該溫度顯著高于其去應(yīng)力退火溫度，因此可能出現(xiàn)彈性殘余應(yīng)力的完全去除。高溫與靜壓耦合條件下材料會產(chǎn)生蠕變，且合金組織析出相尺寸增大，體積增多導致材料硬度與脆性升高，最終發(fā)生失效。然而長期運行過程中殘余應(yīng)力、堵頭與局部傳熱管的顯微組織和力學性能如何演變，對堵頭的密封性與強度有何影響尚不得知。

最后，技術(shù)規(guī)范或執(zhí)行標準是技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的前提，但HTGR-SG堵管尚未建立相關(guān)技術(shù)標準。壓水堆蒸汽發(fā)生器堵管方面，美、法、德等國均已形成相應(yīng)的技術(shù)標準，我國也形成了《壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管堵管導則》（NB/T 20244—2013）等技術(shù)操作標準以及相關(guān)的安全監(jiān)督規(guī)范。

綜上述所，面向HTGR-SG的自動化堵管技術(shù)在開發(fā)過程中需重點考慮以下幾個方面：

1）自動化負載與定位裝置須根據(jù)HTGR-SG 的通過性與可達性的需求，實現(xiàn)小型化與智能化。

2）需通過試驗研究與數(shù)值計算相結(jié)合的方法高效驗證機械堵管與焊接堵管在HTGR-SG的可行性[26]。

3）通過模擬加速試驗研究闡明堵頭內(nèi)應(yīng)力、組織與性能的演變規(guī)律，驗證堵管技術(shù)的長效可靠性。

4）參考現(xiàn)有基于壓水堆蒸汽發(fā)生器堵管的技術(shù)標準與安全監(jiān)督規(guī)范，待技術(shù)開發(fā)成熟后，建立適用于HTGR-SG的技術(shù)標準與安全監(jiān)督規(guī)范。

4 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有的SG堵管技術(shù)與SG堵管自動化裝備開發(fā)的現(xiàn)狀，并以HTGR-SG的運行條件評判了現(xiàn)有堵管技術(shù)的適用性，得出如下結(jié)論：

1）高溫氣冷堆中一次側(cè)換熱介質(zhì)為滲透性比水蒸氣更高的氦氣，一次側(cè)與二次側(cè)溫度和壓力顯著升高，蒸汽發(fā)生器管板封堵空間顯著縮小。因此傳統(tǒng)堵管技術(shù)難以直接在高溫氣冷堆中應(yīng)用。

2）包括輥脹式與拉拔式2種形式的機械堵管技術(shù)在高溫氣冷堆應(yīng)用中存在的問題主要在于提高堵頭拉脫強度的殘余應(yīng)力會在高溫條件下消失，長期服役條件下可能產(chǎn)生的蠕變等形式的失效。

進一步深入研究需關(guān)注以下2點：

1）焊接堵管技術(shù)在高溫氣冷堆中應(yīng)用必須要解決的問題在于主蒸汽出口端堵頭焊縫處的組織和性能演變的研究結(jié)論不明確，需要對其長效可靠性通過系統(tǒng)試驗進行驗證。

2）自動化負載和定位裝置的小型化與智能化及堵管施工技術(shù)標準與安全監(jiān)督規(guī)范的建立是高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器堵管技術(shù)發(fā)展亟待攻克的難題，同時，裝備開發(fā)過程中，還需要開發(fā)具有與蒸汽發(fā)生器堵管現(xiàn)場1:1模擬平臺對自動化裝備的可行性進行充分驗證與考核。