一種耐腐蝕耐高溫可視化濾渣收集器的研制及應(yīng)用

傅晟偉，夏小嬌，馬韋剛，邱 添，姜 峨

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

核電廠安全殼地坑主要用于收集泄漏的反應(yīng)堆冷卻劑和安全殼噴淋系統(tǒng)的噴淋液，作為安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)的水源，保證上述系統(tǒng)的再循環(huán)運(yùn)行[1]，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期堆芯冷卻和安全殼內(nèi)余熱排出。

安全殼地坑處設(shè)置了濾網(wǎng)，用于攔截安全殼內(nèi)雜物和碎片，雜物和碎片的來(lái)源主要有兩方面，一是核電廠LOCA事故后產(chǎn)生的碎片或雜物；二是LOCA事故后產(chǎn)生的碎片在反應(yīng)堆冷卻劑或噴淋水中溶解或腐蝕生成的腐蝕產(chǎn)物。這些雜物、碎片或腐蝕產(chǎn)物沉積在濾網(wǎng)上，增加地坑濾網(wǎng)的壓降，造成地坑濾網(wǎng)的壓降超過(guò)RIS和EAS泵的凈正吸入水頭裕度，影響地坑的再循環(huán)功能，從而影響堆芯長(zhǎng)期冷卻，造成安全隱患[2-7]。目前我國(guó)運(yùn)行核電廠在進(jìn)行地坑水力學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)都是基于美國(guó)核管會(huì)的早期版本管理導(dǎo)則RG1.82[8]中的假設(shè)，經(jīng)評(píng)估這種假設(shè)是不保守的。為滿(mǎn)足核安全法規(guī)HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》(2004)中的相關(guān)要求，國(guó)家核安全局[2012]52號(hào)文件規(guī)定：各運(yùn)行核電廠需完成安全殼地坑濾網(wǎng)改進(jìn)分析報(bào)告，報(bào)告中應(yīng)包含化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響[9]。目前國(guó)際上普遍采用WCAP-16530-NP中的方法分析評(píng)價(jià)化學(xué)效應(yīng)，但此方法得出的數(shù)據(jù)對(duì)于地坑過(guò)濾器壓降評(píng)估過(guò)于保守[10，11]。經(jīng)國(guó)內(nèi)專(zhuān)家研究及評(píng)估，國(guó)內(nèi)采用綜合化學(xué)效應(yīng)方法開(kāi)展化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究，為開(kāi)展相關(guān)研究，需研制一種易于試驗(yàn)過(guò)程觀察且適用于LOCA后各項(xiàng)工藝參數(shù)的濾渣收集器來(lái)模擬安全殼地坑濾網(wǎng)工作狀態(tài)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

秦山第二核電廠地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究[12]，沒(méi)有可直接應(yīng)用的設(shè)備或裝置模擬LOCA事故后安全殼地坑濾網(wǎng)的工作狀態(tài)。

為模擬安全殼地坑濾網(wǎng)工作狀態(tài)，濾渣收集器需在最高溫度約90 ℃、氫氧化鈉堿性環(huán)境中工作，具備壓降監(jiān)測(cè)和加熱功能，具有可視化特點(diǎn)，且可以在試驗(yàn)過(guò)程中添加碎片或腐蝕產(chǎn)物。在國(guó)內(nèi)某研究單位預(yù)先開(kāi)展的化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究中，就因?yàn)V渣收集器受熱膨脹碎裂導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2 濾渣收集器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

濾渣收集器為了模擬安全殼地坑濾網(wǎng)表面液體的流動(dòng)狀態(tài)，整體為垂直的圓筒形結(jié)構(gòu)；為了觀察濾網(wǎng)前后端的碎片和沉淀沉積及濾過(guò)的現(xiàn)象，圓筒采用分段式結(jié)構(gòu)，兩段筒體中間設(shè)置金屬濾網(wǎng)。

濾渣收集器為了實(shí)現(xiàn)可視化，筒體采用透明的非金屬材料。為了模擬核電廠LOCA事故后地坑濾網(wǎng)處的溫度和化學(xué)環(huán)境，濾渣收集器需在室溫約95 ℃的溫度區(qū)間以及pH=10.5的堿性環(huán)境中工作，由于常用有機(jī)材料難以兼顧可視化和耐高溫的使用要求，筒體優(yōu)選玻璃作為材料，為了實(shí)現(xiàn)耐堿性腐蝕，最終選用高硼硅玻璃作為筒體材料。

由于試驗(yàn)研究中濾渣收集器需與試驗(yàn)裝置的金屬管道連接，因此在保證玻璃筒體與金屬管道連接密封性的前提下，不發(fā)生因兩種材料受熱膨脹不均導(dǎo)致的玻璃碎裂是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中考慮采用金屬法蘭作為過(guò)渡段連接玻璃筒體與金屬管道，并且通過(guò)一種創(chuàng)新的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了上述問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)加熱功能，在金屬法蘭上部設(shè)置環(huán)形加熱圈；為了實(shí)現(xiàn)壓降監(jiān)測(cè)功能，在上、下兩段筒體的過(guò)渡法蘭上設(shè)置引壓管連接差壓測(cè)量設(shè)備。

綜上，濾渣收集器的設(shè)計(jì)思路為：整體采用圓筒形垂直結(jié)構(gòu)，采用兩段玻璃筒體將金屬濾網(wǎng)夾持中間，可觀察濾網(wǎng)前后端試驗(yàn)現(xiàn)象；玻璃筒體通過(guò)金屬法蘭與試驗(yàn)裝置的金屬管道連接，并在法蘭部分設(shè)置加熱器和引壓管，滿(mǎn)足加熱和壓降測(cè)量功能；上部法蘭設(shè)置可拆卸蓋板，可在試驗(yàn)中添加碎片及腐蝕產(chǎn)物。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾渣收集器由金屬蓋板、金屬筒體、金屬法蘭、玻璃筒體、金屬濾網(wǎng)以及密封件和緊固件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濾渣收集器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of thefilter slag collector1—蓋板；2—上金屬筒體；3—引壓管；4—加熱器；5—螺母；6—上法蘭；7—上玻璃筒體；8—螺柱；9—金屬濾網(wǎng)；10—下玻璃筒體；11—下法蘭；12—下金屬筒體；13—橡膠密封件A；14—橡膠墊片；15—橡膠密封件B；16—金屬抱箍

從圖1可將濾渣收集器分為三個(gè)部分，其中1～4為上段部分，主要由不銹鋼蓋板、不銹鋼筒體和不銹鋼法蘭以及加熱圈構(gòu)成。蓋板通過(guò)螺栓與法蘭連接，在試驗(yàn)中可拆卸后添加研究所需的碎片或腐蝕產(chǎn)物；加熱圈為環(huán)狀加熱器，包覆于不銹鋼筒體，由溫控儀控制溫度，保證試驗(yàn)介質(zhì)到達(dá)地坑濾網(wǎng)時(shí)達(dá)到要求的溫度；不銹鋼筒體上設(shè)置引壓管，用于監(jiān)測(cè)濾網(wǎng)壓降。

6～11為中段部分，其主要由兩段玻璃筒體、金屬濾網(wǎng)、上下金屬法蘭和長(zhǎng)螺柱等構(gòu)成。玻璃筒體通過(guò)上、下法蘭分別與上、下段部分連接，玻璃筒體與上、下不銹鋼法蘭連接部分采用插槽式安裝方式，筒體筒壁在嵌入凹形的橡膠密封件A后再插入不銹鋼法蘭的開(kāi)槽中，密封結(jié)構(gòu)如圖1局部圖A所示；上、下法蘭以及上、下金屬筒體通過(guò)環(huán)形均布的四個(gè)長(zhǎng)螺柱連接在一起，靠玻璃筒體側(cè)的兩個(gè)螺母可以調(diào)節(jié)上、下法蘭的距離，從而調(diào)整上、下法蘭和玻璃筒體的擠壓松緊程度，這種結(jié)構(gòu)不僅可作為支撐避免玻璃筒體和上、下不銹鋼法蘭受熱后因材料膨脹系數(shù)的不同造成的擠壓碎裂，并且可以與靠金屬筒體側(cè)的兩個(gè)螺母形成預(yù)緊力，保證上金屬筒體與上法蘭、下金屬筒體與下法蘭以及上、下法蘭與玻璃筒體四個(gè)密封面的密封；玻璃筒體采用高硼硅玻璃材料成型，滿(mǎn)足透明、耐堿性、耐高溫的要求，兩段玻璃筒體對(duì)接端為凸邊結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)金屬濾網(wǎng)的支撐和固定，并通過(guò)橡膠墊片實(shí)現(xiàn)第一道密封，兩段玻璃筒體凸邊外緣套通過(guò)凹形的橡膠密封件實(shí)現(xiàn)了第二道密封，并使上、下玻璃筒體連接，橡膠密封件外側(cè)設(shè)置金屬抱箍緊固，通過(guò)調(diào)節(jié)抱箍的松緊程度，在滿(mǎn)足密封預(yù)緊力的同時(shí)，避免了玻璃筒體因受熱膨脹而被擠壓碎裂，密封結(jié)構(gòu)如圖局部圖B所示。

12為下段部分，主要為不銹鋼金屬筒體。筒體設(shè)置為漏斗形式，避免穿過(guò)金屬濾網(wǎng)的雜質(zhì)、碎片、腐蝕產(chǎn)物等形成死區(qū)堆積。

2.3 工作原理

濾渣收集器的工作原理為：介質(zhì)從上段金屬筒體進(jìn)入后形成垂直流向，模擬了安全殼地坑處流體的流動(dòng)方向；通過(guò)包覆于不銹鋼筒體的加熱圈加熱，從而模擬安全殼地坑處流體不同時(shí)間段的不同溫度；加熱后的介質(zhì)向金屬濾網(wǎng)方向流動(dòng)，期間碎片、雜物以及腐蝕產(chǎn)物等在濾網(wǎng)處形成沉淀堆積，玻璃成型的筒體可實(shí)時(shí)觀察濾網(wǎng)前后端的碎片和沉淀、沉積及濾過(guò)的過(guò)程；介質(zhì)在通過(guò)濾網(wǎng)后經(jīng)下段金屬筒體回流至試驗(yàn)裝置，形成循環(huán)回路。

上段筒體頂部的可拆卸蓋板，可模擬試驗(yàn)過(guò)程中碎片及雜物加入；上段筒體設(shè)置的引壓管與濾渣收集器出口后端實(shí)驗(yàn)裝置管路上的引壓管形成差壓測(cè)量，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濾網(wǎng)前后端的壓降，達(dá)到化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降影響的研究目的。

3 濾渣收集器的應(yīng)用

濾渣收集器應(yīng)用于秦山第三核電廠地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目和秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目的化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究。

在秦山第三核電廠地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究中，模擬的秦山第三核電廠LOCA后地坑水化學(xué)環(huán)境和降溫曲線條件下，通過(guò)濾渣收集器獲得了濾網(wǎng)處沉淀物，試驗(yàn)中觀察并記錄了沉淀物形成過(guò)程，如圖2(a)所示，試驗(yàn)后將濾渣收集器拆卸，取出濾網(wǎng)處收集的沉淀物，如圖2(b)所示，對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)分析，得到了沉淀物的成分并分析了沉淀的形成原因。

圖2 秦山第三核電廠化學(xué)效應(yīng)對(duì)壓降影響試驗(yàn)濾網(wǎng)處沉淀Fig.2 Precipitate at the filter of the chemical effect test on strainer pressure drop in Qinshan NPP Phase Ⅲ

通過(guò)濾渣收集器前后端壓降的監(jiān)測(cè)，獲得了秦山第三核電廠地坑過(guò)濾器化學(xué)效應(yīng)對(duì)濾網(wǎng)壓降的變化曲線，如圖3所示，結(jié)果顯示化學(xué)效應(yīng)對(duì)濾網(wǎng)兩端壓降沒(méi)有明顯影響，試驗(yàn)結(jié)果為秦山第三核電廠安全殼地坑濾網(wǎng)改造工程通過(guò)國(guó)家核安全局審批提供技術(shù)依據(jù)[13]。

圖3 秦山第三核電廠化學(xué)效應(yīng)濾網(wǎng)壓降變化曲線Fig.3 The curve of strainer pressure drop in the chemical effect test in Qinshan NPP Phase Ⅲ

在秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究中，同樣通過(guò)濾渣收集器獲得了濾網(wǎng)處沉淀物，如圖4所示，并對(duì)其進(jìn)行了分析。

圖4 秦山二擴(kuò)核電廠化學(xué)效應(yīng)對(duì)壓降影響試驗(yàn)濾網(wǎng)處沉淀Fig.4 Precipitate at the filter of the chemical effect test on strainer pressure drop in Qinshan NPP Phase Ⅱ Extension Project

通過(guò)濾渣收集器前后端壓降的監(jiān)測(cè)，獲得了秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組地坑過(guò)濾器化學(xué)效應(yīng)對(duì)濾網(wǎng)壓降的變化曲線，如圖5所示，結(jié)果顯示秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組LOCA后地坑環(huán)境中產(chǎn)生的化學(xué)沉淀物對(duì)濾網(wǎng)壓降存在影響，化學(xué)效應(yīng)對(duì)濾網(wǎng)壓降影響應(yīng)在下游效應(yīng)分析中予以考慮[14]。

圖5 秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組化學(xué)效應(yīng)濾網(wǎng)壓降變化曲線Fig.5 The curve of strainer pressure drop in the chemical effect test in Qinshan NPP Phase Ⅱ Extension Project

4 結(jié)束語(yǔ)

1)研制了一種耐腐蝕耐高溫可視化濾渣收集器，采用高硼硅材料成型的圓柱筒體實(shí)現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、可視化的研究需求，通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的金屬法蘭實(shí)現(xiàn)了玻璃筒體與金屬管道的連接，采用獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了密封，并且避免了高硼硅與金屬法蘭因受熱膨脹系數(shù)不同造成的擠壓碎裂，解決了現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有適用于核電廠化學(xué)效應(yīng)研究的設(shè)備問(wèn)題。

2)該濾渣收集器被應(yīng)用于秦山第三核電廠地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目和秦山第二核電廠3、4號(hào)機(jī)組地坑過(guò)濾器安全分析項(xiàng)目的化學(xué)效應(yīng)對(duì)地坑過(guò)濾器濾網(wǎng)壓降的影響研究，支撐研究獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為地坑過(guò)濾器性能評(píng)估、下游效應(yīng)分析提供了數(shù)據(jù)支持，并為秦山第三核電廠安全殼地坑濾網(wǎng)改造工程通過(guò)國(guó)家核安全局審批奠定了基礎(chǔ)。

3)該濾渣收集器相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利并獲得授權(quán)[15]，可推廣應(yīng)用于核電廠化學(xué)效應(yīng)相關(guān)研究。