核電廠射流蒸汽電鍋爐電極安裝工藝改進(jìn)

劉馳程，孫 浩，韓文軒，包彥省，錢(qián)華隆

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.萬(wàn)納神核控股集團(tuán)有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠通常都配置輔助蒸汽電鍋爐，用于首堆啟動(dòng)階段或無(wú)其他汽源時(shí)向核電站設(shè)備提供必要的啟動(dòng)蒸汽[1]。當(dāng)核反應(yīng)堆功率上升到某一定值后，輔助蒸汽電鍋爐將被置于熱備用狀態(tài)以備為下次機(jī)組冷啟動(dòng)提供汽源保障。

輔助蒸汽電鍋爐具有運(yùn)行效率高、蒸汽品質(zhì)好及環(huán)保無(wú)煙排放等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外大部分核電站均建有大功率輔助蒸汽電鍋爐，主要分為浸沒(méi)式高壓電極鍋爐及射流式高壓電極鍋爐兩類(lèi)[2-4]。

某核電配置有兩臺(tái)射流式高壓電極蒸汽電鍋爐，由美國(guó)Precision Boilers公司生產(chǎn)制造，型號(hào)HVJ-338-250，功率25 MW，額定運(yùn)行電壓13.8 kV，設(shè)計(jì)有三相6組電極，每相各有單、雙電極1組。為確保鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，電廠結(jié)合制造廠運(yùn)維要求及特種設(shè)備管理規(guī)定，每5～6年實(shí)施一次高壓電極解體檢修，但統(tǒng)計(jì)歷次鍋爐電極解體檢修情況，鮮有6組電極安裝后均不漏汽案例。因此，查明制約電極安裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素并提高電極安裝成功率具有很強(qiáng)的必要性。

1 射流式蒸汽電鍋爐高壓電極結(jié)構(gòu)

射流式蒸汽電鍋爐高壓電極由外部瓷套管、中間瓷套管、內(nèi)部瓷套管、導(dǎo)電桿、電極底座、均壓屏蔽罩及多種密封墊組合而成，如圖1所示。三種套管經(jīng)導(dǎo)電桿、電極底座、鍋爐電極支座、電極頂蓋及緊固螺栓壓裝成整體。各瓷套管密封面均配置有密封墊，其中內(nèi)部瓷套管與電極底座、鍋爐電極支座之間采用柔性石墨密封墊。導(dǎo)電桿及電極底座承受13.8 kV電壓，鍋爐內(nèi)部蒸汽溫度達(dá)到130 ℃以上，蒸汽氣壓在1.0～1.2 MPa范圍。

圖1 射流式輔助蒸汽電鍋爐高壓電極Fig.1 The high voltage electrode of the jet auxiliary steam electric boiler

鍋爐運(yùn)行期間，內(nèi)部瓷套管兩端及石墨密封墊的安裝質(zhì)量，直接影響電極在高壓蒸汽環(huán)境的嚴(yán)密性。對(duì)存在安裝工藝缺陷的電極，高壓蒸汽將可能侵蝕密封薄弱點(diǎn)并泄入大氣。含電解質(zhì)的水汽受冷凝結(jié)在外部瓷套管表面，將直接導(dǎo)致電極帶電部位與鍋爐電極支座閃絡(luò)，引發(fā)嚴(yán)重短路事故[5]。

2 高壓電極漏汽成因分析

針對(duì)高壓電極組裝成功率偏低問(wèn)題，對(duì)兩臺(tái)鍋爐歷次電極檢修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。其中多組高壓電極在由美國(guó)專業(yè)工程師實(shí)施組裝后，也曾出現(xiàn)蒸汽泄漏問(wèn)題。因此，基本排除人員技能不足導(dǎo)致電極組裝成功率偏低因素。

2.1 高壓電極密封墊預(yù)緊力

加工電極嚴(yán)密性檢驗(yàn)工裝，選擇典型的蒸汽泄漏電極作為試驗(yàn)對(duì)象，將各套管、導(dǎo)電桿及電極底座等組合成嚴(yán)密性檢驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示?？紤]安全性因素，依據(jù)國(guó)標(biāo)《GB 150—2011壓力容器》建議，選擇水壓試驗(yàn)替代氣密性試驗(yàn)。在試驗(yàn)工裝接口連接增壓泵，將水壓提升至約1.2 MPa，觀測(cè)試驗(yàn)壓力表及內(nèi)部瓷套管密封面漏水情況。

圖2 電極嚴(yán)密性檢驗(yàn)工裝Fig.2 Electrode tightness inspection tooling

表1 輔助蒸汽電鍋爐歷史檢修狀況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of historical maintenance conditions of the auxiliary steam electric boiler

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了5次試驗(yàn)，通過(guò)緊固導(dǎo)電桿端部螺栓增大內(nèi)部瓷套管端面密封墊預(yù)緊力。在測(cè)得緊固螺栓配套蝶形墊片邊沿間隙不小于1.0 mm極限距離的情況下，每增加10 N·m進(jìn)行一次試驗(yàn)，每組試驗(yàn)持續(xù)60 min，結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)表明，在增大高壓電極內(nèi)部瓷套管端部密封墊預(yù)緊力時(shí)，試驗(yàn)電極仍出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，因此，研判密封墊所受預(yù)緊力非制約電極嚴(yán)密性的關(guān)鍵因素。

表2 電極密封墊預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The test results of electrode sealing specific pressure

2.2 電極組件密封面檢查

將出現(xiàn)蒸汽泄漏的高壓電極全部解體，檢查內(nèi)部瓷套管、電極底座及鍋爐電極支座涉及嚴(yán)密性的位置，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部瓷套管密封面存在普遍性徑向斜紋，電極底座密封面有不同程度的貫穿性紋理，如圖3所示。

圖3 內(nèi)部瓷套管及電極底座密封面Fig.3 The sealing surface of the internal porcelain sleeve and the electrode base

檢查內(nèi)部瓷套管兩端的柔性石墨密封墊，發(fā)現(xiàn)石墨密封墊表面有不同程度的隱性裂紋，如圖4所示。因此，推測(cè)電極密封表面可能存在粗糙度過(guò)大的因素，導(dǎo)致組合后的電極密封墊承壓不均，致使其物理性受損。

圖4 電極石墨密封墊隱性裂紋Fig.4 The hidden crack of the electrode graphite gasket

另發(fā)現(xiàn)制造廠提供的相同型號(hào)的石墨密封墊，其外觀卻存在明顯差異，優(yōu)質(zhì)石墨密封墊具有明顯的韌性，且密封墊中間帶有增強(qiáng)型不銹鋼齒板，其余石墨密封墊則無(wú)該工藝，且密封墊脆性明顯，容易因彎折出現(xiàn)斷痕，如圖5所示。

圖5 柔性石墨密封墊差異性對(duì)比Fig.5 The difference comparison of the flexible graphite gasket

隨機(jī)選擇兩組漏汽高壓電極的電極底座及內(nèi)部瓷套管進(jìn)行粗糙度測(cè)定，并將其與未發(fā)生蒸汽泄漏的電極進(jìn)行比對(duì)，詳見(jiàn)表3。

表3 電極相關(guān)密封面粗糙度測(cè)定Table 3 Planeness measurement of the sealing surface related to the electrode

綜上，可以推斷蒸汽鍋爐高壓電極密封面粗糙度是影響電極嚴(yán)密性的關(guān)鍵因素，而柔性石墨密封墊如選型不佳，容易因電極粗糙度過(guò)大而損壞，也會(huì)影響電極嚴(yán)密性。

3 高壓電極安裝工藝改進(jìn)

3.1 電極密封面研磨

對(duì)試驗(yàn)電極底座、內(nèi)部瓷套管密封面實(shí)施研磨。密封面研磨均周向研磨，盡可能使研磨所致的微小劃痕呈類(lèi)似同心圓分布，以增強(qiáng)柔性石墨密封墊在壓緊情況下的外移阻力，研磨后的電極組件如圖6所示。

圖6 對(duì)電極底座及內(nèi)部瓷套管實(shí)施研磨Fig.6 Grinding of the electrode base and the internal porcelain sleeve

將研磨后的電極組件分別與增強(qiáng)型石墨密封墊及無(wú)齒板型石墨密封墊組合，安裝至電極嚴(yán)密性檢驗(yàn)工裝試漏。兩組試驗(yàn)在4 h后壓力均降低約0.007 MPa，未發(fā)現(xiàn)集中性泄漏痕跡，電極嚴(yán)密性均有明顯改善。這表明電極密封面粗糙度確是構(gòu)成電極嚴(yán)密性的關(guān)鍵因素。

另外，在多次電極拆裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，柔性石墨密封墊在常溫冷態(tài)安裝后，即使壓裝緊密，其與經(jīng)過(guò)高壓蒸汽作用的密封墊仍有非常明顯的差別。柔性石墨密封墊內(nèi)部密布纖維氣隙，結(jié)構(gòu)疏松，在高溫高壓環(huán)境下，柔性石墨密封墊因其優(yōu)越的彈性及補(bǔ)償效應(yīng)，其密封效果將進(jìn)一步增強(qiáng)[6]。因此，基于冷態(tài)單體試驗(yàn)完善電極安裝后嚴(yán)密性經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)的判據(jù)具有很強(qiáng)的必要性。

3.2 高壓電極冷態(tài)單體嚴(yán)密性試驗(yàn)

因大型鍋爐不宜實(shí)施整體氣密性試驗(yàn)，因此，嘗試通過(guò)嚴(yán)密性試驗(yàn)考核單個(gè)電極安裝后的嚴(yán)密性。在圖1所示的蒸汽泄漏點(diǎn)2處連接充氣工裝，充壓約1.2 MPa，可對(duì)電極安裝過(guò)程容易發(fā)生碰磨的電極底座與內(nèi)部瓷套管密封面實(shí)施嚴(yán)密性檢測(cè)，同時(shí)在密封面噴涂檢漏液檢漏，如圖7所示。雖然該試驗(yàn)方案不能對(duì)內(nèi)部瓷套管與鍋爐支座密封面進(jìn)行嚴(yán)密性考核，但作為獨(dú)立引入的電極嚴(yán)密性驗(yàn)證手段，效果依然非常顯著。

圖7 安裝后的電極冷態(tài)單體嚴(yán)密性檢測(cè)Fig.7 The tightness test of the electrode cold monomer after installation

經(jīng)數(shù)十次試驗(yàn)對(duì)比，針對(duì)鍋爐電極冷態(tài)嚴(yán)密性檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)判定依據(jù)，歸納如表4。

表4 電極冷態(tài)單體嚴(yán)密性檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)Table 4 The empirical criteria for tightness check of the electrode cold monomer

該蒸汽鍋爐高壓電極安裝工藝改進(jìn)方案，在同型另一蒸汽鍋爐解體檢修中得到了應(yīng)用。期間，鍋爐6組電極1次安裝成功并運(yùn)行至今，驗(yàn)證了改進(jìn)工藝的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

核電廠配置的射流式輔助蒸汽電鍋爐，其高壓電極安裝工藝對(duì)鍋爐啟動(dòng)后的運(yùn)行可靠性有重要影響。通過(guò)改善電極組件密封面粗糙度，選擇優(yōu)質(zhì)柔性石墨密封墊，并在電極安裝后實(shí)施電極冷態(tài)單體嚴(yán)密性檢測(cè)，可將現(xiàn)有高壓電極安裝期間單純的經(jīng)驗(yàn)性工藝，轉(zhuǎn)化為指標(biāo)量化、定性特征明確的技術(shù)性判據(jù)。該方案能有效提高輔助蒸汽電鍋爐高壓電極安裝質(zhì)量，顯著提升蒸汽電鍋爐啟動(dòng)成功率，確保其持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。