三代核電大口徑爆破閥檢修工藝研究

韓 杰，廖 明

（三門(mén)核電有限公司，浙江臺(tái)州 317112）

0 引言

AP1000 第三代壓水堆核電廠在低壓安注以及安全殼再循環(huán)管線上設(shè)置了8 臺(tái)爆破閥，這些閥門(mén)的作用是在事故工況下執(zhí)行安注和安全殼非能動(dòng)再循環(huán)相關(guān)功能。根據(jù)ASME OM 規(guī)范要求，每個(gè)換料周期需對(duì)每個(gè)類(lèi)別的爆破閥分別抽取1 臺(tái)進(jìn)行解體檢查，并10 年內(nèi)完成所有爆破閥的監(jiān)督試驗(yàn)項(xiàng)目。三門(mén)核電AP1000 大口徑爆破閥是國(guó)內(nèi)外壓水堆核電領(lǐng)域的首次應(yīng)用，檢修難點(diǎn)如下：

（1）難以與堆芯、換料水箱隔離，排水檢修會(huì)至少增加7 d以上大修工期。

（2）檢修空間狹窄、干涉物項(xiàng)多、倒運(yùn)路徑受限，導(dǎo)致爆破閥解體檢查無(wú)法開(kāi)展。

（3）薄弱零部件拆裝過(guò)程中必須避免引入隱形損傷，以防止運(yùn)行過(guò)程中閥門(mén)失效導(dǎo)致重大核事故。

（4）裝料前設(shè)工序，次關(guān)鍵路徑，工作繁重、工期壓力大。

為保證AP1000 機(jī)組運(yùn)營(yíng)滿(mǎn)足法規(guī)要求，并具有良好的經(jīng)濟(jì)性，有必要綜合分析爆破閥的檢修空間，創(chuàng)新研制實(shí)用的新型專(zhuān)用檢修設(shè)備，設(shè)計(jì)爆破閥檢修工藝，解決爆破閥檢修困難、工序復(fù)雜等技術(shù)難題。

1 冰塞隔離支持爆破閥檢修

通過(guò)研發(fā)高效率熱交換冰塞夾套，設(shè)計(jì)冰塞隔離工藝，解決系統(tǒng)無(wú)法隔離的關(guān)鍵問(wèn)題?？梢允挂旱褂昧繙p少1/2。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證冰塞隔離可靠，很大程度避免了冰塞工作期間液氮供應(yīng)不足的問(wèn)題，降低冰塞失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 爆破閥冰塞隔離介紹

爆破閥檢修工作的窗口為卸料完成后，換料水池處于滿(mǎn)水狀態(tài)，主管線上無(wú)隔離閥提供有效隔離，低壓安注爆破閥的入口側(cè)同堆芯直接連通。4 臺(tái)低壓安注爆破閥的安裝位置均低于此時(shí)的水位，且4 臺(tái)再循環(huán)爆破閥位于安全殼內(nèi)置換料水箱（IRWST）至再循環(huán)濾網(wǎng)之間，安全殼內(nèi)置換料水箱（IRWST）均處于滿(mǎn)水狀態(tài)，如執(zhí)行排水檢修預(yù)計(jì)增加大修工期7 d 以上，同時(shí)還需考慮后續(xù)配置硼水和系統(tǒng)回充，主線延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)更久。

爆破閥冰塞隔離位置如圖1 所示，通過(guò)冰塞可將爆破閥與堆芯、IRSWT 隔離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的檢修。

圖1 爆破閥冰塞隔離位置

1.2 爆破閥冰塞隔離的風(fēng)險(xiǎn)

1.2.1 管道破裂的風(fēng)險(xiǎn)

冰塞過(guò)程中，管道內(nèi)的水結(jié)冰后體積增大，會(huì)在冰塞夾套安裝位置和爆破閥之間的管道內(nèi)部產(chǎn)生很高的壓力。由于爆破閥的剪切蓋為薄弱設(shè)計(jì)，管道內(nèi)部壓力過(guò)高會(huì)造成剪切蓋薄弱連接處產(chǎn)生變形甚至斷裂。

1.2.2 管道焊縫裂紋擴(kuò)展

由于管道焊縫內(nèi)存在殘余應(yīng)力區(qū)，過(guò)大的溫差應(yīng)力會(huì)促使殘余應(yīng)力增大，引起管道裂紋延展。為防止焊縫內(nèi)部組織產(chǎn)生裂紋，冰塞一般需選擇在水平或者豎直管道上，距離焊縫的距離應(yīng)為2 倍管徑或者300 mm 以上，取其中大者。由于爆破閥設(shè)計(jì)階段未識(shí)別出需要冰塞，因此未考慮冰塞位置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管道焊縫距離冰塞距離最小只有100 mm，且由于冰塞管徑為8″，冰塞時(shí)間長(zhǎng)、溫度低，管道焊縫內(nèi)部有可能產(chǎn)生裂紋甚至破裂。

管道上溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力可以通過(guò)公式（1）計(jì)算：

式中 α——線膨脹系數(shù)，℃-1

E——彈性模量，MPa

ΔT——長(zhǎng)ΔHz兩端的軸向溫差，℃

R——圓筒半徑，m

δ——圓筒壁厚，m

μ——泊松比

另外，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出冰塞溫度梯度產(chǎn)生的材料應(yīng)力最高可達(dá)236 MPa，已超過(guò)304 不銹鋼室溫下的屈服強(qiáng)度（205～210 MPa）（圖2）。

圖2 冰塞低溫對(duì)管道材料產(chǎn)生的應(yīng)力

1.2.3 冰塞失效的風(fēng)險(xiǎn)

冰塞過(guò)程中無(wú)法直接監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部的結(jié)冰情況，只能通過(guò)測(cè)量冰塞夾套兩側(cè)管道溫度和監(jiān)測(cè)冰塞夾套和管道上的結(jié)霜情況來(lái)輔助判斷。這個(gè)過(guò)程中可能由于監(jiān)測(cè)不到位、液氮供應(yīng)中斷等原因，導(dǎo)致管道內(nèi)結(jié)冰融化、冰塞隔離失效。由于爆破閥與堆芯、IRWST 直接相連，且為低低水位以下，冰塞隔離失效后，堆芯和IRWST 內(nèi)放射性介質(zhì)流出，會(huì)將11300 房間以下全部淹沒(méi)，相當(dāng)于堆芯熔毀、低壓安注投入的工況，且堆芯此時(shí)如處于換料期間還會(huì)導(dǎo)致燃料失水裸露，將造成災(zāi)難性的后果。

1.3 提高爆破閥冰塞可靠性的方法

1.3.1 冰塞隔離工藝優(yōu)化

在冰塞和爆破閥之間的管道上設(shè)置壓力表，一方面可以通過(guò)監(jiān)測(cè)介質(zhì)結(jié)冰后體積膨脹導(dǎo)致的壓力升高來(lái)輔助判斷冰塞形成情況，另一方面可以排泄過(guò)高的壓力，防止管道、爆破閥的剪切蓋因超壓而破裂。

冰塞前后對(duì)選定的冰塞管道和焊縫進(jìn)行超聲波UT 和表面無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)管道、焊縫的表面和內(nèi)部均無(wú)凹坑和裂紋等缺陷，防止冰塞過(guò)程中管道應(yīng)過(guò)大的應(yīng)力導(dǎo)致突然破裂。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫的溫度，通過(guò)控制液氮輸送量來(lái)調(diào)節(jié)管道的溫度，控制焊縫處溫度高于-50 ℃，避免材料迅速降溫而脆化，能過(guò)有效避免管道因低溫而發(fā)生破裂。

1.3.2 研發(fā)高效冰塞夾套

常規(guī)的冰塞夾套內(nèi)部為空心的，液氮?dú)饣瘯r(shí)體積急劇膨脹，夾套內(nèi)部壓力上升，加快了液氮在夾套內(nèi)部的流速，大量的液氮從夾套排氣口噴出，傳熱效率很低。此種冰塞夾套會(huì)延長(zhǎng)冰塞形成時(shí)間，消耗大量液氮。在以往的冰塞失效案例中，絕大部分都是由于液氮供應(yīng)不足導(dǎo)致。由于現(xiàn)場(chǎng)空間和通道狹窄，液氮搬運(yùn)非常困難，存在液氮供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

冰塞換熱效率η 可以通過(guò)公式（2）計(jì)算：

式中 C——與管徑、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度相關(guān)的系數(shù)

h——冰塞形成的時(shí)間，min

Q——冰塞形成時(shí)的液氮消耗量，L

通過(guò)對(duì)換熱器的研究，設(shè)計(jì)出高換熱效率冰塞夾套（圖3）。高效率冰塞夾套內(nèi)部采用配置有折流板，用于增加液氮流動(dòng)阻力，降低液氮流動(dòng)速度，提高液氮的使用效率。夾套外部設(shè)置有高效率保溫層，有效防止液氮的熱量從夾套外部散失。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，冰塞效率較普通夾套明顯高出2～3 倍。

圖3 夾套內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 爆破閥極限位置空間轉(zhuǎn)運(yùn)

2.1 11206 房間爆破閥吊裝

11206 房間內(nèi)共計(jì)4 臺(tái)爆破閥，2 臺(tái)再循環(huán)爆破閥采用并列的方式，安裝于上部，另2 臺(tái)低壓安注爆破閥并列安裝于再循環(huán)爆破閥的下部（圖4）。下部2 臺(tái)爆破閥正上方存在水平方向的干涉管線，此管線直接干涉下部2 臺(tái)爆破閥從上部2 臺(tái)爆破閥的安裝位置吊出。為避開(kāi)干涉管線吊裝下部2 臺(tái)爆破閥，需要設(shè)計(jì)特殊的吊裝工藝。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境勘測(cè)及首次大修的吊裝經(jīng)驗(yàn)，將爆破閥按圖5a）～圖5f）的順序轉(zhuǎn)運(yùn)出11206 房間運(yùn)輸至檢修場(chǎng)地。

圖4 11206 房間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置

圖5 11206 房間吊裝路徑示意

2.2 11207 房間爆破閥吊裝

11207 房間爆破閥正上方設(shè)置爆破閥專(zhuān)用吊裝孔，吊物孔正上方無(wú)吊點(diǎn)，無(wú)法將爆破閥從吊裝孔吊出。下部2 臺(tái)爆破閥正上方存在干涉鋼結(jié)構(gòu)與干涉法蘭，吊裝難度較大、工藝復(fù)雜（圖6、圖7）。上部2 臺(tái)并列安裝的爆破閥可利用爆破閥專(zhuān)用吊具直接吊出（圖8），并利用爆破閥專(zhuān)用運(yùn)輸小車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至檢修場(chǎng)地（圖9），進(jìn)行解體檢修維護(hù)。

圖6 11207 房間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置

圖7 11207 房間吊裝路徑示意

圖8 專(zhuān)用吊具

圖9 運(yùn)輸小車(chē)

底部并列安裝的2 臺(tái)爆破閥拆除檢修，需要繞過(guò)干涉管線及干涉法蘭，從上部爆破閥安裝位置處吊出，完成解體檢修工作。

3 爆破閥解體檢修工藝

3.1 進(jìn)出口剪切蓋拆裝

剪切蓋水平鑲嵌于閥體內(nèi)，剪切蓋與閥體配合間隙?。▓D10、圖11）。剪切蓋全部表面光潔度不低于Ra3.2，表面平整光滑，現(xiàn)有工具無(wú)法完成拆除及回裝工作。

圖10 剪切蓋吊裝工具

圖11 剪切蓋安裝方法

通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)吊裝盤(pán)專(zhuān)用工具，吊裝盤(pán)通過(guò)螺栓固定至剪切蓋出口，上部安裝吊耳進(jìn)行吊裝工作，外側(cè)通過(guò)螺紋連接手柄。利用起重機(jī)平衡專(zhuān)用工具及剪切蓋的全部重量調(diào)整上部、下部間隙一致。以吊點(diǎn)為支點(diǎn)調(diào)整專(zhuān)用工具手柄，使剪切蓋中心線在同一條直線上，水平移動(dòng)起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)剪切蓋的拆除。

3.2 定位桌

爆破閥閥蓋與活塞通過(guò)拉伸螺栓相連接，當(dāng)爆破閥解體后，閥蓋與活塞一同吊出，內(nèi)部起連接功能的拉伸螺栓設(shè)計(jì)為雙頭反向螺紋，且拆除及安裝拉伸螺栓的專(zhuān)用工具需在拉伸螺栓底部向上安裝使用。

定位桌的主要功能是拆除拉伸螺栓進(jìn)行檢測(cè)及尺寸測(cè)量（圖12）。將爆破閥閥蓋、拉伸螺栓、活塞組件拆除后，放置于至定位桌上，矩形定位孔在桌面的固定下能夠防止活塞轉(zhuǎn)動(dòng)。桌面上成圓周均勻分部的4 個(gè)定位孔用于閥蓋防轉(zhuǎn)定位，利用定位銷(xiāo)進(jìn)行固定防止閥蓋發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)旋出位于中間的拉伸螺栓，實(shí)現(xiàn)活塞、閥蓋組件的解體和拆裝。

圖12 活塞和閥蓋拆裝桌

3.3 螺紋套專(zhuān)用工具

活塞內(nèi)部的螺紋套為大規(guī)格英制螺套，且為深孔安裝，安裝難度非常大，目前市場(chǎng)上全部的螺套安裝工具均不能滿(mǎn)足使用要求（圖13a））。根據(jù)模擬驗(yàn)證及相關(guān)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)研發(fā)爆破閥螺套專(zhuān)用工具，良好地解決了螺套無(wú)法準(zhǔn)確安裝的問(wèn)題（圖13b）、圖13c））。

圖13 螺套及安裝工具

3.4 炸藥專(zhuān)用試驗(yàn)裝置

爆破閥炸藥桶點(diǎn)火的試驗(yàn)周期為每次大修期間，至少選取同種型號(hào)藥筒在本機(jī)組在裝數(shù)量的20%進(jìn)行試驗(yàn)，以抽樣驗(yàn)證每種規(guī)格型號(hào)的藥筒均能執(zhí)行其設(shè)計(jì)功能。炸藥點(diǎn)火試驗(yàn)需要將炸藥從爆破閥本體拆除，閥本體外模擬點(diǎn)火信號(hào)，實(shí)現(xiàn)炸藥起爆，同時(shí)采集相關(guān)信號(hào)。

根據(jù)炸藥桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作炸藥試爆專(zhuān)用裝置，完成炸藥點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)、測(cè)藥筒發(fā)火時(shí)間、壓力峰值等相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷藥筒的點(diǎn)火試驗(yàn)是否合格（圖14）。

圖14 藥筒試驗(yàn)裝置

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)爆破閥檢修工藝，可靠執(zhí)行爆破閥全部在役檢查內(nèi)容，并能指導(dǎo)完成全部爆破閥解體檢查在役試驗(yàn)全部?jī)?nèi)容。有效的冰塞隔離能夠避免一回路大量排水，高效執(zhí)行爆破閥檢修工作，為大修主線節(jié)省寶貴的時(shí)間。專(zhuān)用設(shè)備的開(kāi)發(fā)將支持爆破閥檢修工藝，保證爆破閥在役期間功能正常。檢修工藝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了AP1000爆破閥的自主檢修。