失水事故試驗容器電纜貫穿方式改進設(shè)計

周 緣 王廣金 陳 青 周 天 鄭蘭疆

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

失水事故試驗容器（以下簡稱試驗容器）是模擬失水事故期間反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的熱工和化學(xué)環(huán)境，用以考驗核級設(shè)備在事故期間以及事故后是否能按照程序要求正常穩(wěn)定工作的專用試驗容器，因此需要在失水事故試驗過程中，為試驗的核級設(shè)備提供動力或信號傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

參考IEEE382標準的規(guī)定[1]，目前常用的失水事故試驗環(huán)境條件如下：1）峰值溫度156℃，峰值壓力（絕對值）560kPa，最大相對濕度100%。2）化學(xué)溶液腐蝕條件為硼酸含量1.5%，氫氧化鈉含量0.6%，pH值9.25。3）噴淋流量為1.02×10-4m3/s·m2。

通常將動力或信號電纜在試驗容器的外法蘭上進行開孔貫穿后，與被試驗設(shè)備直接相連，電纜與貫穿孔洞的密封采用硅橡膠或環(huán)氧樹脂，并通過壓緊螺母固定電纜。在試驗過程中，由于密封材料長期在高溫和壓力作用下容易出現(xiàn)密封失效，并且每次試驗設(shè)備不同，電纜的選型也隨之不同，需要帶不同尺寸的外法蘭與之配合，因此外法蘭更換頻繁，造成了大量浪費，給試驗工作帶來極大不便。

借鑒我院成熟的電氣貫穿件產(chǎn)品設(shè)計部分經(jīng)驗，結(jié)合試驗容器的實際使用情況，該文設(shè)計了一種更方便、可靠的電纜貫穿裝置。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

失水事故試驗用電纜貫穿裝置主要由“貫穿件本體”“內(nèi)部接線箱”和“外部接線箱”3個部分組成，其整體安裝如圖1所示。貫穿件本體穿過試驗容器的預(yù)留孔道，通過法蘭螺栓固定，并利用金屬波紋軟管保護絕緣包覆導(dǎo)體。

圖1 低壓電纜貫穿裝置整體安裝示意圖

外部接線箱安裝于遠處的地面或墻面上，內(nèi)部接線箱固定在失水事故試驗裝置內(nèi)壁的螺栓上。內(nèi)、外部電纜通過接線箱中的端子排與導(dǎo)體組件的導(dǎo)線相連。

進行試驗時，只需要根據(jù)每次試驗設(shè)備的不同，更換內(nèi)部接線箱至試驗設(shè)備的一小段電纜即可，其外部至檢測設(shè)備的電纜無須進行拆卸或者更換。因此，每次不需要更換整根電纜，不僅節(jié)約了成本，還減少了試驗安裝的工作量。每次試驗前，檢測貫穿件本體與試驗容器各連接處的密封情況及導(dǎo)體組件電氣性能各項指標，只要在規(guī)定范圍內(nèi)，便無須更換導(dǎo)體組件或密封組件。

2 關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

在如圖1所示的整體結(jié)構(gòu)中，低壓電纜貫穿裝置的關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)包括貫穿件本體與容器間的密封、貫穿件本體上導(dǎo)體組件本身的密封、貫穿件本體上導(dǎo)體組件與端板法蘭的密封。在具體的設(shè)計工作中，需要從這3個方面進行充分考慮，在滿足功能的情況下，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理。

3 貫穿件本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

貫穿件本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，貫穿件本體由導(dǎo)體組件（包括40×18AWG導(dǎo)體組件、37×16AWG導(dǎo)體組件、30×14AWG導(dǎo)體組件、20×12AWG導(dǎo)體組件、9×8AWG導(dǎo)體組件、8×6AWG導(dǎo)體組件以及6×4AWG導(dǎo)體組件等規(guī)格）、支撐板、支撐桿、端板法蘭、盲堵和密封組件組成。其中，導(dǎo)體組件是實現(xiàn)電氣傳輸功能的關(guān)鍵部件，具有統(tǒng)一的外徑，可滿足互換性要求，并通過密封組件將導(dǎo)體組件固定在端板法蘭上，支撐板通過均勻分布的3根支撐桿連接，并與端板法蘭固定。端板法蘭、支撐板和支撐桿為通用模塊，可根據(jù)試驗容器的開孔尺寸進行調(diào)整。盲堵用于封堵未裝導(dǎo)體組件的通道。所有零、部件間均采用可拆卸結(jié)構(gòu)連接。

圖2 貫穿件本體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 導(dǎo)體組件設(shè)計

導(dǎo)體組件由保護套管、密封模塊和導(dǎo)線組成，采用連續(xù)均衡擠壓成型工藝進行密封，從而組成一個完整的導(dǎo)體組件。

由于聚醚醚酮（PEEK）[2]在較寬廣的溫度下仍然能保持良好的電氣性能，并且在高溫下耐化學(xué)腐蝕、耐水解，因此可在240℃～260℃的溫度下長期使用，具有優(yōu)異的耐熱水性和耐蒸汽性（可在200℃的蒸汽中長期使用）。綜上所述，PEEK材料適用于失水事故試驗的高溫、高濕環(huán)境。因此，該文設(shè)計時選用該材料為主要的絕緣和密封材料，將其應(yīng)用于導(dǎo)線的外表面絕緣和密封模塊的制作。

其中，導(dǎo)線為連續(xù)的銅導(dǎo)體，銅導(dǎo)體的外表面包覆一層PEEK絕緣材料；作為同時承擔絕緣和密封功能的零件，密封模塊也選用PEEK材料制作；保護套管為金屬材料。

導(dǎo)體組件示意圖如圖3所示，組裝成型后的導(dǎo)體組件整體在設(shè)計壓力500kPa（絕對壓力）下，對干燥氦氣的最大氣體泄漏率低于1×10-7Pa·cm3/s。該結(jié)構(gòu)經(jīng)過電氣貫穿件整機的型式試驗驗證，導(dǎo)體組件經(jīng)歷失水事故試驗后仍然能保持良好的密封性能和電氣性能。

圖3 導(dǎo)體組件結(jié)構(gòu)示意圖

新的電纜貫穿裝置導(dǎo)體組件外徑統(tǒng)一，方便更換，導(dǎo)線和密封模塊可設(shè)計為6芯到40芯各規(guī)格，芯數(shù)和參數(shù)見表1。

3.2 端板法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計

端板法蘭結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。將端板法蘭設(shè)計為一凸面密封結(jié)構(gòu)，原材料選用奧氏體不銹鋼。內(nèi)圈凸起部分設(shè)計了3個120°均勻分布的導(dǎo)體組件貫穿孔道（貫穿孔道數(shù)可根據(jù)需求增減），用于貫穿和固定導(dǎo)體組件。同時，在內(nèi)表面與導(dǎo)體組件貫穿孔錯開60°的圓周方向上，加工了3個未貫穿的螺釘孔，用于安裝支撐桿。在端板的最外圈設(shè)計了與試驗容器法蘭配對的螺栓通孔，該法蘭的所有開孔和尺寸均可根據(jù)試驗容器的具體需求進行擴大或縮小。端板法蘭與容器的密封圈可選用“O”形硅橡膠、聚四氟乙烯墊或石墨石墨金屬纏繞墊。

圖4 端板法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于導(dǎo)體組件整體較長，該文特設(shè)計了支撐板（如圖5所示），用于固定穿過端板法蘭的導(dǎo)體組件，支撐板的原材料同樣為奧氏體不銹鋼。

圖5 支撐板結(jié)構(gòu)示意圖

在支撐板端面上120°均勻分布3個導(dǎo)體組件支撐孔，其開孔內(nèi)徑與導(dǎo)體組件外徑間隙約為0.5mm～1mm，以保證導(dǎo)體組件順利穿過的同時具備支撐功能。支撐板側(cè)面設(shè)計有3個均布的止動螺釘孔。將止動螺釘擰入該孔，并與導(dǎo)體組件接觸，固定導(dǎo)體組件的周向運動，降低試驗過程中的振動對整機密封性能的影響。另外，在與導(dǎo)體組件支撐孔錯開60°的圓周方向上設(shè)計了3個支撐桿安裝孔，支撐桿安裝孔的內(nèi)徑小于支撐桿光滑圓柱面的外徑，因此組裝時支撐桿能順利貫穿，與背面的螺母一起對支撐板形成限位，從而將端板法蘭、支撐板連接為一個整體結(jié)構(gòu)。

3.4 支撐桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

支撐桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。支撐桿為兩端帶外螺紋的整體圓棒結(jié)構(gòu)。組裝時，依次將3根支撐桿的短螺紋端完全旋入端板法蘭密封面上的螺紋孔內(nèi)，將另一端穿過支撐板后用螺母擰緊，支撐桿原材料同樣為奧氏體不銹鋼。

圖6 支撐桿結(jié)構(gòu)示意圖

當配對的試驗容器貫穿孔道較短時，導(dǎo)體組件長度也相應(yīng)減短，可去掉支撐板、支撐桿等支撐件。

3.5 密封組件

密封組件由壓緊螺母、壓緊環(huán)和卡套組成，其中，壓緊螺母和壓緊環(huán)原材料為奧氏體不銹鋼，卡套為易變形的軟金屬材料。

導(dǎo)體組件貫穿端板法蘭的孔道后，旋緊壓緊螺母，通過壓緊環(huán)使卡套產(chǎn)生變形，并填滿低壓導(dǎo)體組件與端板貫穿孔道間的縫隙，從而使兩側(cè)端板上的組件貫穿孔道得到密封，并通過密封組件將導(dǎo)體組件固定在端板法蘭上。

由于所用卡套為軟金屬材料，因此可在很大程度上減少傳統(tǒng)電纜貫穿使用硅橡膠或環(huán)氧樹脂密封時失水事故試驗環(huán)境對密封效果的影響，提高了該裝置的高溫密封性能。當然，根據(jù)實際使用情況，還可以采用在卡套的外表面鍍銀的方式，進一步提升裝置的密封性能。

4 接線箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在試驗容器內(nèi)部和外部分別設(shè)計了接線箱，導(dǎo)體組件的導(dǎo)線從接線箱頂部開孔進入其內(nèi)部，與安裝在接線箱內(nèi)部的接線端子端接，外部電纜可通過接線箱底部進入內(nèi)部，與其對應(yīng)規(guī)格的接線端子端接，從而實現(xiàn)內(nèi)、外部電氣信號的導(dǎo)通。接線端子在接線箱內(nèi)部采用垂直排布的方式，便于上、下導(dǎo)線布線。

接線箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。接線箱的外形尺寸可根據(jù)現(xiàn)場的具體需求定做。為降低成本，外部接線箱原材料可整體選用碳鋼板材噴漆，安裝于遠處的地面或墻面上，并靠近試驗現(xiàn)場的電源。由于試驗容器內(nèi)部空間有限且試驗時內(nèi)部長期處于高溫水蒸氣環(huán)境，因此內(nèi)部接線箱采用全不銹鋼的壁掛式結(jié)構(gòu)，并固定安裝在試驗裝置內(nèi)壁的螺栓上。

圖7 接線箱結(jié)構(gòu)示意圖

5 不銹鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計

不銹鋼波紋管也全部采用奧氏體不銹鋼制造。不銹鋼波紋管由3個部分組成（如圖1所示），分別為兩端的接頭（分別為接頭1、接頭2）和中間的單層金屬波紋管，3個部件焊接為一個整體。其中，中間的波紋管長度可以根據(jù)實際情況進行增減。

接頭1固定在導(dǎo)體組件的保護套管上，配合保護套管的外徑尺寸，采用半圓型的卡箍結(jié)合卡座的結(jié)構(gòu)，半圓形內(nèi)徑與導(dǎo)體組件外徑尺寸一致。在卡箍的兩邊對稱設(shè)計了2個沉頭通孔，在卡座上的對應(yīng)位置設(shè)計了2個螺紋孔，并通過2個內(nèi)六角螺釘，將卡箍擰緊固定在卡座上?？ㄗ牧硪欢嗽O(shè)計了與波紋管外徑相匹配的焊接結(jié)構(gòu)，與波紋管進行焊接。接頭采用卡箍式的結(jié)構(gòu)，確?？焖贁Q緊的同時不會帶動波紋管旋轉(zhuǎn)。

接頭2一端同樣設(shè)計了與波紋管外徑相匹配的焊接結(jié)構(gòu)，并與波紋管進行焊接。另一端帶外螺紋，并穿過接線箱頂部的通孔，在接線箱內(nèi)部用螺母擰緊固定。

由此，不銹鋼波紋管為導(dǎo)體組件外露的導(dǎo)線部分提供了較好的物理防護作用，并在裝配或試驗件安裝拆卸過程中不會損傷導(dǎo)線外包覆的PEEK絕緣層。

6 盲堵結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2節(jié)已述在端板法蘭上設(shè)計了3個（或者更多）導(dǎo)體組件貫穿孔道，試驗時，如果所需導(dǎo)體組件實際數(shù)量較少，則多余孔道無須安裝導(dǎo)體組件，可用盲堵將空余的孔道封堵起來。該裝置設(shè)計的盲堵為一圓柱形結(jié)構(gòu)，其外徑與導(dǎo)體組件保護套管外徑一致，安裝致端板法蘭時，同樣采用3.5節(jié)所述的密封組件進行密封和固定。

7 結(jié)論

該文電纜貫穿裝置的部分零、部件借鑒了電氣貫穿件產(chǎn)品的成熟設(shè)計，特別是作為功能模塊的導(dǎo)體組件，是跟隨電氣貫穿件整機通過了輻照老化試驗、運輸和儲存模擬試驗、熱工作循環(huán)模擬試驗、抗震試驗、模擬失水事故環(huán)境條件下的性能試驗、耐火試驗等系列鑒定試驗的考驗，在各種事故工況下，均能保持良好的電氣性能和密封性能，完全滿足該裝置設(shè)計要求。部分試驗參數(shù)見表2。

表2 導(dǎo)體組件試驗參數(shù)表

該文設(shè)計的電纜貫穿裝置結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小巧，適用于核電廠失水事故試驗容器內(nèi)部有限的安裝空間，并在結(jié)合實際安裝情況的基礎(chǔ)上，為失水事故試驗的貫穿電纜提供了一種新的連接和密封方式。綜上所述，該文裝置具有如下優(yōu)點：1）采用成熟常見的連續(xù)均衡擠壓成型工藝進行導(dǎo)體組件的密封成型，設(shè)備通用，工藝成熟可靠。2）采用聚醚醚酮材料為密封模塊，并以金屬卡套將導(dǎo)體組件與端板進行密封，使該文裝置具有良好的密封性能。3）采用聚醚醚酮絕緣包覆導(dǎo)體作為導(dǎo)體組件的載流線芯，并外套聚醚醚酮密封模塊，提高了電纜貫穿裝置對試驗容器內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)性，具有較好的電氣絕緣性能和較長的使用壽命。4）電纜貫穿裝置可按照工程要求留有導(dǎo)體組件的備用安裝孔道，并通過盲板封堵，便于在工程過程中的電纜通道進行擴充。5）采用標準化的導(dǎo)體組件的，便于組件拆卸和互換。6）為被試驗的電氣設(shè)備提供了一種方便安裝、拆卸、可靠穩(wěn)定且可重復(fù)使用的電氣或信號傳輸。