穿戴式軟質保溫在EPR核電機組的研究應用

段宗輝，李延韜，王 碩，畢斗斗

（1. 華南理工大學，廣州 510641；2. 中廣核工程有限公司，深圳 518000；3. 山東招遠核電有限公司，煙臺 264000）

EPR 核電機組是目前最先進的三代核電技術之一，保持設備及房間溫度的穩(wěn)定性是保證核電站安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。在某EPR 核電機組運行過程中，曾出現因穩(wěn)壓器房間頂部、蒸發(fā)器房間、穩(wěn)壓器安全閥、主蒸汽隔離閥等區(qū)域溫度超出設計標準值，而不滿足運行技術規(guī)范對應要求的情況，本文針對該問題提出了一種穿戴式軟質保溫技術，替代原有的硬質保溫盒，有效地解決了EPR 核電機組運行過程中核島房間超溫問題。

1 EPR 核電設備保溫設計總體要求

臺山核電一期工程引進了歐洲先進壓水堆（European Pressurized Reactor，EPR）機組，該機組是能夠滿足新安全法規(guī)要求和更高經濟性要求的新一代改進型壓水堆，屬于第三代壓水堆技術。臺山核電充分吸收了法國和德國核電廠的設計、建造和運行經驗［1］，傳承了壓水堆的關鍵技術，并采用高可靠性的專用安全設施，最大限度地降低了風險，盡可能將其對環(huán)境的放射性影響降至最低［2］。歐洲先進壓水堆機組增加了安全系統的冗余設置［3］，并采用了隔離準則和多樣性原理來確保核電廠“單一事故準則”這一重要安全基石［4］。EPR 核電機組單機功率1750 兆瓦，是目前世界上單機容量最大的核電機組［5］，其設備體積、容量均大于其他核電技術機組，對于設備表面的保溫要求也不同于CPR核電機組，其不同點主要體現在保溫性能要求以及保溫材料的安裝要求上。核電使用傳統保溫的類型介紹如表1 所示，按照保溫材料分為金屬保溫和非金屬保溫［6］，按照保溫介質劃分為熱保溫和冷保溫，溫度在60℃以上稱為熱保溫，溫度在10℃以下的稱為冷保溫，本文中介紹的保溫均為熱保溫。

表1 核電使用傳統保溫介紹Table 1 Introduction to Traditional Thermal Insulation Used in Nuclear Power station

核電站保溫結構設計除了需符合一般工業(yè)管道對于熱保溫的要求外，還要兼顧核電工程本身的特點，主要包括以下幾個方面［7］，如表2所示：一是核電保溫設計要保證在反應堆正常運行期間和瞬態(tài)工況時，能滿足其結構的完整性；二是保溫材質具備良好的耐輻照性能，能夠耐高溫，其耐熱溫度要大于設備或者管道的設計溫度；三是保溫層在設計時應考慮材料環(huán)保，且對人體無害，保溫本身不會帶來放射性塵埃，不會引起輻射；四是保溫層結構的設計要結合管道或者設備形狀、所處位置考慮，便于維修；五是核電在役檢查期間需要對設備焊縫進行檢查，保溫層在設計時要考慮可達性和可拆性；六是核電在設計時考慮抗震級別，保溫在設計時也需要同步考慮整體設計相關要求，在極限安全地震動下，保溫層不會對附近安全物項造成災害（如倒塌）。本文研究的穿戴式保溫技術，外部采用耐輻照硅膠面料，內部填充玻璃纖維，硅膠面料密封性較好，具有較高強度，多次受熱后也不會引起放射性粉塵，在地震的情況下能與設備牢固地連接在一起，能夠滿足上述設計要求。

表2 EPR 核電機組設備熱保溫設計要求Table 2 Design Requirements for Thermal Insulation of EPR Nuclear Power Unit Equipment

2 穿戴式軟質保溫特性介紹

2.1 穿戴式軟質保溫結構組成

穿戴式軟質保溫主要由外部的硅膠面料、中間玻璃纖維針刺毯（填充棉）、內部不銹鋼絲布構成，如圖1 所示，保溫之間通過耐高溫的鋼絲線縫制而成，保溫外部通過魔術貼進行連接。

圖1 穿戴式軟質保溫結構組成Fig.1 Composition of wearable soft insulation structure

穿戴式軟質保溫結構在設計上嚴格按照技術要求與機組設備參數、運行溫度匹配。本文研究的穿戴式可拆卸軟質保溫技術通過模擬仿真進行3D 量身設計定制，確保達到100%的精準貼合，相鄰保溫墊之間采用45°或階梯式搭接設計，確保保溫的有效性，實物樣式見圖2 某核電系統閥門保溫成果展示，通過拉緊魔術貼保證保溫貼合度及緊密性。

圖2 穿戴式軟質保溫實物Fig.2 Physical image of wearable soft insulation

2.2 新型穿戴式軟質保溫與傳統硬質保溫盒特性對比

目前國內核電設備大部分采用的仍然是傳統硬質保溫盒，如圖3 所示，左側為蒸發(fā)器實物圖，右側為改造后采用穿戴式軟質保溫設備圖。傳統保溫由不銹鋼盒、硅酸鋁棉袋及不銹鋼搭扣構成。其主要優(yōu)點是結構簡單、成本低，缺點是在拆裝過程中容易損壞，尤其在回裝過程中保溫與設備貼合度降低，從而導致保溫效果降低，導致廠房內溫度升高超出設計基準。目前國內多座核電站換料大修后核島內廠房超溫多與設備保溫拆卸后回裝不嚴密有關。

圖3 蒸發(fā)器表面?zhèn)鹘y硬質保溫盒和穿戴式軟質保溫Fig.3 Traditional hard insulation box and wearable soft insulation for evaporator surface

穿戴式軟質保溫技術與設備貼合度高、保溫效果好、安裝要求高，需要專業(yè)人士安裝，造價高于傳統保溫技術。傳統硬質雙壁盒和軟質穿戴式保溫各有優(yōu)缺點，如表3 所示。

表3 新型穿戴式軟質保溫與傳統硬質保溫盒比較Table 3 Comparison between new wearable softinsulation and traditional hard insulation box

3 穿戴式軟質保溫應用情況

某EPR 核電機組穩(wěn)壓器房間在某次停機檢修結束后，運行一周出現房間超溫，監(jiān)測溫度如圖4 所示，房間最高溫度達到60℃，超出設計值的55℃，主控室出現報警。工作人員通過對穩(wěn)壓器房間通風系統進行分析對比，并對各通風口風量進行測量發(fā)現，大修前后通風系統設備狀態(tài)無差異，風閥開度和朝向均與大修前一致，對風道進行檢查，發(fā)現無異物堵塞風道，對風道前段表冷器進行檢查，表冷器進出口溫度正常，進一步檢查發(fā)現穩(wěn)壓器頂部保溫存在較多熱點，傳統硬質保溫接縫處溫度達到241.2℃，測量點平均溫度達到90.5℃，如圖5 所示。

圖4 系統運行溫度變化趨勢圖Fig.4 Change trend of system operating temperature

圖5 EPR 核電穩(wěn)壓器頂部熱成像圖Fig.5 Thermal Imaging Diagram of EPR Nuclear Power pressurizer

核電設備完整性是核電廠安全運行的保障［10］，保溫也是完整性的一部分。EPR 穩(wěn)壓器保溫結構由龍骨與不銹鋼保溫盒以及鋼帶、非金屬保溫棉袋組成，包括可拆卸式與不可拆卸式保溫。可拆卸保溫與固定鋼帶之間采用搭扣連接，不可拆卸保溫與穩(wěn)壓器本體之間采用不銹鋼鉚釘連接，保溫層從穩(wěn)壓器結構上分為上封頭保溫、筒體保溫、下封頭保溫（非金屬棉袋）三部分，穩(wěn)壓器與保溫層之間空隙區(qū)域通過棉袋填實。經過現場檢查分析認為，在換料大修過程中，對穩(wěn)壓器上封頭焊縫進行焊縫檢查，硬質保溫盒拆裝造成不同程度變形，使得固定保溫盒之間出現較大縫隙，因此熱量會源源不斷地向房間內散出，房間溫度隨之升高，導致穩(wěn)壓器頂部房間溫度超出設計限值，最終主控室出現超溫報警。穩(wěn)壓器頂部房間溫度高還會造成周圍儀表使用可靠性減低，影響房間內其他核設施的正常運行。

對于核電機組穩(wěn)壓器房間正常運行階段出現的超溫問題，處理起來主要存在如下兩個難點：一是機組上行階段穩(wěn)壓器房間內存在中子輻射，人員存在較高的中子輻射風險；二是設備回裝后房間內作業(yè)空間狹窄，存在較高的誤碰設備風險，影響機組安全上行。

3.1 穿戴式軟質保溫在EPR 核電機組穩(wěn)壓器上的應用

某EPR 核電機組穩(wěn)壓器在首次換料大修后出現房間超溫現象，經設計、運行、維修各部門商討后決定采用將原有的硬質保溫盒替換成穿戴式軟質保溫的改造方案，對穩(wěn)壓器本體與框架之間出現的房間內熱量流場進行重新分配，保證房間內溫度探頭探測到的溫度更加接近真實值。在改造過程中，對采用穿戴式保溫的穩(wěn)壓器與未采用的進行對比試驗，結果如圖6 所示，平均溫度下降達到10℃，結果證明，采用穿戴式軟質保溫，保溫效果優(yōu)于原有硬質保溫盒。

圖6 系統運行溫度變化趨勢圖Fig.6 Trend Chart of Operating Temperature in the Pressurizer Room

3.2 穿戴式軟質保溫在EPR 核電機組主蒸汽隔離閥中的應用

主蒸汽系統在核電站運行中承擔了重要的安全功能。在發(fā)生安全殼內主蒸汽管道破裂事故時，主蒸汽隔離閥限制蒸汽釋放，從而避免超過安全殼設計壓力［9］。主蒸汽隔離閥動作的有效性和可靠性，直接影響核電站的運行安全。在某EPR 核電運行期間，受閥門本體熱輻射與對流影響，主蒸汽隔離閥限位開關曾長期出現超溫現象，溫度最高達到100℃，溫度升高會影響限位開關動作的有效性，可能引起設備誤動，從而引發(fā)反應堆緊急停堆事故發(fā)生。

當主蒸汽隔離閥內部流動介質達到300℃以上時，傳統保溫技術采用的硬質保溫盒保溫效果無法滿足設計要求［10］。硬質保溫盒在拆卸回裝后，接縫區(qū)域難免出現間隙，保溫盒內棉氈分布不均勻，這些都會降低保溫效果。調查研究發(fā)現，目前市面上生產的新型可拆卸穿戴式軟質保溫能有效解決上述問題，經設計、運行、維修各方評估，可拆卸穿戴式軟質保溫技術在某EPR 機組上得到了成功應用。通過3D 建模方式，根據主蒸汽隔離閥物理結構定制出對應的保溫技術，新型軟質保溫貼合度更高，在對主蒸汽等系統隔離閥進行改造后，限位開關表面溫度出現大幅度下降，如圖7 所示，平均溫度至少下降10℃（圖中VVP 為主蒸汽隔離系統，ARE 為主水系統）。另外，新型軟質保溫拆裝更便捷，能夠縮短關鍵路徑時間，提質增效，帶來經濟效益。

圖7 主蒸汽隔離閥限位開關溫度變化趨勢圖Fig.7 Temperature Change Trend of Main Steam Isolation Valve Limit Switch

4 總結

穿戴式軟質保溫技術是一種新型的保溫技術，在某EPR 核電機組研究中得到了應用。該技術采用軟質材料和穿戴式設備相結合的方式，能夠有效地提高EPR 核電機組設備的保溫效果，確保設備正常運行。本文通過對某EPR核電機組的概述，介紹了軟質保溫特性，并進行了試驗驗證。試驗結果表明，該技術能夠有效地解決核電站設備在運行過程中出現的房間超溫、設備超溫等問題，提高了熱能利用率，縮短了大修工期，具有良好的社會效益和經濟效益。應用穿戴式軟質保溫技術可以提高核電站的安全性和穩(wěn)定性，可以考慮將其納入核電廠初始設計范疇，在設計施工階段進行評估，能夠有效解決當前各核電廠房出現的部分通風難題。本課題研究的穿戴式保溫技術在某EPR 核電機組的成功應用，為華龍一號機組的商業(yè)運行提供了可借鑒的成功示范，希望后續(xù)在其他核電廠能夠得到廣泛應用［11］。