李 濤

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

壓水堆核電廠是在高溫、高壓的系統(tǒng)條件下，利用核燃料裂變反應(yīng)釋放出的大量熱能來進(jìn)行發(fā)電的。核裂變在釋放熱能的同時還產(chǎn)生大量的放射性裂變產(chǎn)物和活化產(chǎn)物，為了防止放射性物質(zhì)外泄，壓水堆核電廠在設(shè)計中設(shè)有三道安全屏障，即燃料組件包殼、一回路壓力邊界和反應(yīng)堆廠房安全殼。

在核電廠運行時，為了實時監(jiān)控堆芯狀態(tài)，利用堆芯溫度測量系統(tǒng)對反應(yīng)堆堆芯中各指定燃料組件位置的冷卻劑溫度進(jìn)行測量，并實時向主控制室進(jìn)行反饋。因此，堆芯熱電偶將從反應(yīng)堆頂蓋上的貫穿件穿出，貫穿件與熱電偶導(dǎo)柱之間的密封結(jié)構(gòu)屬于一回路壓力邊界的一部分，其可靠性對于核電站主系統(tǒng)的嚴(yán)密性和安全性具有重要意義。

目前，我國的CNP300、CNP600、M310、CPR1000等壓水堆核電廠的堆芯熱電偶密封結(jié)構(gòu)基本相同[1-2]，熱電偶導(dǎo)柱與反應(yīng)堆頂蓋貫穿件之間均采用CONOSEAL密封墊和GRAYLOCK密封環(huán)的組合密封結(jié)構(gòu)。根據(jù)國內(nèi)外核電廠的運行經(jīng)驗反饋信息，該類型的密封結(jié)構(gòu)曾發(fā)生過多次失效事件。文章以秦山核電站CNP300堆型的堆芯熱電偶密封結(jié)構(gòu)為例，對各種失效情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處理和改進(jìn)措施。

1 結(jié)構(gòu)分析

堆芯熱電偶為1E級金屬鎧裝電纜，堆芯熱電偶（THERMOCOUPLES，簡稱TC），秦山核電站反應(yīng)堆堆芯共設(shè)置有28根TC，分為A、B兩個通道，分別從一根TC導(dǎo)套管中穿入并抵達(dá)堆芯上板的設(shè)定位置。28根TC導(dǎo)套管分為兩束，上部集束固定在兩根TC導(dǎo)柱上，兩根TC導(dǎo)柱分別安裝在上部堆內(nèi)構(gòu)件135°側(cè)和315°側(cè)位置上。

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋安裝之后，TC導(dǎo)柱從頂蓋貫穿件——TC下杯座中穿出。TC與導(dǎo)套管之間共包括三道不同的密封，這幾道密封結(jié)構(gòu)屬于核反應(yīng)堆的壓力邊界，對堆芯的嚴(yán)密性和安全性具有重要意義：

第一道：TC與TC導(dǎo)套管之間的密封，采用美國世偉洛克（SWAGELOK）管接頭進(jìn)行密封，采用SWAGELOK間隙規(guī)可檢驗接頭安裝時是否旋緊到位，從而確保密封可靠。

第二道：TC導(dǎo)套管與TC導(dǎo)柱之間的密封，采用釬焊密封，在焊接質(zhì)量得到保證的情況下，其密封可靠性很高。

第三道：TC導(dǎo)柱與壓力容器頂蓋貫穿件之間的密封，采用CONOSEAL密封墊和GRAYLOCK密封環(huán)的組合密封結(jié)構(gòu)。

根據(jù)國內(nèi)外核電廠的歷史運行信息，前兩道密封結(jié)構(gòu)運行可靠，但第三道組合密封結(jié)構(gòu)曾經(jīng)多次發(fā)生過密封失效的情況。

CONOSEAL應(yīng)用于反應(yīng)堆頂蓋貫穿件密封結(jié)構(gòu)中具有安全可靠、拆裝便捷等顯著特點，泄漏率低于1×10-9mL/s（100年內(nèi)的總泄漏量低于3 mL），維護(hù)和拆裝操作簡便，工作量和工作強度小，可承受很大的溫差和壓差變化[3]。

CONOSEAL密封結(jié)構(gòu)和GRAYLOCK密封結(jié)構(gòu)通過TC上杯座聯(lián)接在一體，兩者既相互獨立，又相互影響。HALF卡環(huán)安裝在TC導(dǎo)柱的卡槽中，用以限制頂緊上法蘭沿軸向向上移動，起到對整套TC密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向定位的作用。頂緊螺釘通過頂緊上法蘭向下壓緊頂緊下法蘭，頂緊下法蘭向下壓緊TC上杯座，CONOSEAL密封墊（簡稱碟形墊片）安裝在熱電偶導(dǎo)柱與TC上杯座之間，向下的壓力使碟形墊片產(chǎn)生足夠的彈性變形，達(dá)到所需的密封比壓，從而實現(xiàn)密封的目的。

GRAYLOCK是一種典型的金屬自緊式法蘭密封結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于反應(yīng)堆頂蓋貫穿件密封結(jié)構(gòu)中具有密封可靠性高（泄漏率低于10-6mL/s）、結(jié)構(gòu)簡單、拆裝簡便、工作強度小、抗振動性能好、可承受較大壓差和溫差變化（每小時最高可承受溫度變化達(dá)160 ℃以上）等顯著特點。

GRAYLOCK密封環(huán)（簡稱密封環(huán)）安裝在TC上杯座和TC下杯座之間，通過HALF卡套固定聯(lián)接在一起，密封環(huán)也因此被夾緊而實現(xiàn)密封的功能。

2 問題描述

在秦山核電站第十一次換料大修中，停堆后發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆頂蓋兩處熱電偶密封結(jié)構(gòu)處有滲漏的硼結(jié)晶，并且密封結(jié)構(gòu)附近的頂蓋球冠保溫層及頂蓋表面上也都有滲漏出的硼結(jié)晶。根據(jù)現(xiàn)場情況判斷，在第十一燃料循環(huán)運行期間，反應(yīng)堆頂蓋上兩處熱電偶密封結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的泄漏，并且漏點應(yīng)主要在CONOSEAL密封墊上。同時，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)TC下杯座下部、頂蓋球冠保溫層及頂蓋表面上均有滲漏的白色硼酸結(jié)晶物。

根據(jù)國內(nèi)外核電廠運行經(jīng)驗反饋信息及現(xiàn)場實際情況，可初步分析得出以下結(jié)論：

1）兩側(cè)TC密封結(jié)構(gòu)均發(fā)生了失效泄漏，導(dǎo)致泄漏的具體原因、部位需進(jìn)一步確定，并需針對性地制定出處理措施，防止此問題再次發(fā)生；

2）因硼酸結(jié)晶物具有一定的腐蝕性，本次泄漏的硼酸雖然總量很少，但同樣應(yīng)進(jìn)一步檢查并評估泄漏的硼酸對頂蓋上流經(jīng)表面的腐蝕情況，并針對性地制定出應(yīng)急處理措施。

3 缺陷分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和其他核電廠此類密封結(jié)構(gòu)的歷史運行情況可知，碟形墊片是TC密封結(jié)構(gòu)發(fā)生失效泄漏的主要薄弱環(huán)節(jié)，同時，密封環(huán)也存在一定的失效泄漏的風(fēng)險。

3.1 碟形墊片

在以往發(fā)生過的TC密封結(jié)構(gòu)泄漏的事件中，絕大多數(shù)是由于碟形墊片的密封性能失效所致，可以說，碟形墊片是TC密封結(jié)構(gòu)中最易產(chǎn)生泄漏的一個環(huán)節(jié)，也是我們最需要關(guān)注的。一般來說，易造成碟形墊片失效泄漏主要有以下因素：

1）如果頂緊螺釘預(yù)緊力矩設(shè)定值偏小，將不能保證產(chǎn)生足夠的密封比壓，如果力矩值過大，墊片除了產(chǎn)生彈性變形外，還將產(chǎn)生部分塑性變形，并且隨著運行時間的延長，其彈性降低，對所需密封比壓的補償能力下降，從而在核電廠一個運行周期的后期容易產(chǎn)生泄漏。因此，設(shè)定適宜的力矩值、防止墊片過度壓縮是保證密封有效性的一個重要因素，如果發(fā)生泄漏，應(yīng)根據(jù)情況在必要時重新校核頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩值。

2）在設(shè)定頂緊螺釘預(yù)緊力矩值時，應(yīng)充分考慮到摩擦力等因素造成力矩傳遞的損失，安裝時對頂緊螺釘與上法蘭、下法蘭的各接觸面應(yīng)充分潤滑，盡可能減少力矩傳遞中的損失。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通常情況下，這種力矩?fù)p失會達(dá)到30%左右。

3）碟形墊片主要靠其自身的回彈能力進(jìn)行補償來達(dá)到密封的效果，在工作狀態(tài)下，壓力和溫度是影響碟形墊片回彈率的重要因素。對于同一碟形墊片，比壓越大其回彈率越低，即產(chǎn)生的塑性變形越大。隨著溫度的上升，碟形墊片的材料彈性模量和屈服極限降低，導(dǎo)致回彈能力降低。TC密封結(jié)構(gòu)是在主系統(tǒng)沒有壓力的條件下進(jìn)行組裝的，此時頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩雖已達(dá)到規(guī)定值，但在主系統(tǒng)升溫升壓過程中，TC導(dǎo)柱可隨著上部堆內(nèi)構(gòu)件向上微量位移，這樣HALF卡環(huán)也將隨著TC導(dǎo)柱向上微量位移，上法蘭與下法蘭之間間隙將增大，從而碟形墊片的壓縮量減小，各頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩也隨之減小，從而造成密封失效泄漏。因此，在主系統(tǒng)沒有壓力的條件下，TC密封結(jié)構(gòu)在初始安裝時各頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩并非系統(tǒng)運行期間保證密封效果所需的力矩值。

4）各頂緊螺釘?shù)臄Q緊力矩如不均勻，或上、下法蘭在安裝時不能保證水平且間隙均勻一致，將易造成密封比壓不均勻甚至密封線不連續(xù)，產(chǎn)生密封失效泄漏。同時，在TC密封結(jié)構(gòu)在組裝過程中，如法蘭密封面或碟形墊片上粘附有異物，將無法保證密封線完整有效，將易造成密封失效而泄漏。

5）碟形墊片屬于易損件，每個運行循環(huán)都需更換，碟形墊片的備件質(zhì)量對于熱電偶密封結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。碟形墊片的質(zhì)量主要通過設(shè)計和制造來保證，通常，備件生產(chǎn)廠家提供的備件均已經(jīng)過了大量的試驗驗證，每次在使用新的碟形墊片備件之前，應(yīng)對照備件圖紙重點對碟形墊片的厚度、高度、直徑等外形尺寸進(jìn)行復(fù)核測量，確保碟形墊片的質(zhì)量符合設(shè)計要求。

3.2 密封環(huán)

預(yù)緊時，HALF卡套壓緊TC上杯座和TC下杯座，使密封環(huán)受壓產(chǎn)生徑向彈性收縮并使環(huán)內(nèi)側(cè)面貼緊。此時，密封環(huán)產(chǎn)生一定的彈性變形，建立起初始密封。當(dāng)介質(zhì)溫度和壓力上升時，密封環(huán)會向外產(chǎn)生一定的徑向擴張，再加上密封環(huán)本身的回彈，可保證密封比壓不下降。盡管密封環(huán)以往極少發(fā)生泄漏事件，但根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，組裝時同樣不可大意，通常，影響密封環(huán)導(dǎo)致泄漏主要有以下因素：

1）螺母均勻擰緊至規(guī)定力矩后，每側(cè)上下兩顆螺栓為一組，采用螺母穿鋼絲的防松措施。因HALF卡套螺栓為右旋螺紋，則上下兩顆螺母之間穿鋼絲繩的方向應(yīng)為倒“S”形，否則在長期運行中由于振動、壓差變化、溫差變化等將可能造成螺栓松動而泄漏。

2）HALF密封環(huán)安裝在熱電偶管座和杯座之間，如密封面上存在劃痕、毛刺等缺陷，或零部件的清洗、潤滑達(dá)不到要求、密封面上存在異物，都將無法保證密封線完整有效，易造成密封失效而泄漏。

4 改進(jìn)對策

根據(jù)以上分析結(jié)果，為消除隱患，應(yīng)采取針對性的措施加以改進(jìn)，通常，主要可采取以下措施。

4.1 密封結(jié)構(gòu)各零部件重要尺寸檢查和控制

對更換下來的碟形墊片進(jìn)行檢查和測量，并重點對碟形墊片的厚度、高度進(jìn)行復(fù)測。墊片厚度應(yīng)保持均勻，最大偏差應(yīng)不超過0.05 mm。碟形墊片在使用一個運行周期之后，因塑性變形其高度值會有一定的減小，如測量發(fā)現(xiàn)偏差較大，應(yīng)及時反饋給備件生產(chǎn)廠家對其材質(zhì)、性能試驗等關(guān)鍵數(shù)據(jù)重新進(jìn)行審查。

檢查確認(rèn)備件密封環(huán)的兩側(cè)密封面無毛刺、劃痕、點蝕等缺陷，確保密封線連續(xù)、完整。一旦發(fā)現(xiàn)密封面存在缺陷，應(yīng)根據(jù)情況對密封面進(jìn)行研磨或采用對研等方式慎重進(jìn)行修理。密封環(huán)與TC上杯座和TC下杯座的密封面進(jìn)行配合，不可輕易更換，因此密封環(huán)在拆裝和存放時要加強保護(hù)，以避免造成密封環(huán)損傷。

檢查確認(rèn)TC上杯座、TC下杯座和熱電偶導(dǎo)柱的密封面無毛刺、劃痕、點蝕等缺陷，保證密封線連續(xù)、完整。這兩個密封面一旦發(fā)現(xiàn)存在缺陷，應(yīng)根據(jù)情況對密封面進(jìn)行研磨或采用對研等方式慎重進(jìn)行修理（見圖1）。因為TC上杯座、TC下杯座及熱電偶導(dǎo)柱無法更換，因此在熱電偶密封結(jié)構(gòu)組裝和解體時，要慎重操作、加強保護(hù)。

圖1 TC上杯座檢查測量Fig.1 Measurement of thermocouple upper seat

對頂緊上法蘭和下法蘭的平面度進(jìn)行測量，以確保其平面度滿足設(shè)計要求，測量時，可在各頂緊螺釘孔附近多選取幾個測點（見圖2）。同時應(yīng)重點對頂緊下法蘭上與頂緊螺釘頭部配合的圓錐孔表面進(jìn)行檢查，確保其表面無毛刺、劃痕、點蝕等缺陷。

4.2 密封結(jié)構(gòu)組裝工藝控制

安裝之前檢查、清潔TC上杯座密封面、TC下杯座密封面、密封環(huán)、碟形墊片，確認(rèn)密封面無缺陷后，均勻涂抹水基潤滑防咬劑；檢查、確認(rèn)HALF卡套組裝可靠，各聯(lián)接件配合表面均勻涂抹水基潤滑防咬劑。

圖2 頂緊上法蘭測量Fig.2 Measurement of the upper fastening flange

TC密封結(jié)構(gòu)各零部件在拆裝過程中應(yīng)注意防止造成損傷，特別是TC上、下杯座、熱電偶導(dǎo)柱等幾個關(guān)鍵部位的密封面。各零部件在拆除之后應(yīng)注意妥善存放和保管，并特別注意對HALF密封環(huán)和TC上杯座密封面的保護(hù)。組裝時，兩套密封結(jié)構(gòu)的零部件應(yīng)區(qū)分開，避免混放。盡管兩個卡套結(jié)構(gòu)具有互換性，但應(yīng)注意外側(cè)卡套上的位置標(biāo)記，避免裝反。碟形墊片安裝時必須開口向上，不可裝反。擰緊HALF卡套螺母時，要始終保持卡套兩側(cè)間隙基本相等，可用塞尺同步測量以控制間隙均勻，使密封環(huán)四周均勻受力。對頂緊螺釘進(jìn)行預(yù)緊時，要按照一定順序均勻、分步擰緊，以盡量使碟型墊片均勻受力，保證密封可靠性。

主系統(tǒng)升壓過程中進(jìn)行力矩校驗和修正。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)行冷態(tài)嚴(yán)密性試驗時，按照規(guī)定力矩值重新進(jìn)行螺栓預(yù)緊（包括所有HALF卡套螺栓和頂緊螺釘），并復(fù)測確認(rèn)頂緊法蘭之間的間隙在規(guī)定范圍內(nèi)。同時對HALF卡套螺栓采取防松鎖緊措施。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)行熱停堆狀態(tài)下的嚴(yán)密性試驗時，按照規(guī)定力矩值對頂緊螺釘再次進(jìn)行預(yù)緊，并復(fù)測確認(rèn)頂緊法蘭之間的間隙在規(guī)定范圍內(nèi)。同時對頂緊螺釘采取防松鎖緊措施。

4.3 重新評估、確定頂緊螺栓力矩值

如檢查發(fā)現(xiàn)因碟形墊片密封失效而造成泄漏，根據(jù)以上各項檢查的情況，可考慮對頂緊螺栓的設(shè)定力矩值進(jìn)行重新評估和試驗驗證，必要時可對熱電偶導(dǎo)柱采取拉拔力測試，以測量得出熱電偶導(dǎo)柱向上的位移量H與對應(yīng)的拉拔力之間的關(guān)系，再根據(jù)系統(tǒng)運行時的堆芯相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以重新評估和確定合適的力矩值。

進(jìn)行拉拔測試時，適宜的時機應(yīng)是在反應(yīng)堆頂蓋安裝完成之后（主螺栓已完成拉伸緊固），可將拉拔裝置與熱電偶導(dǎo)柱上的HALF卡槽相聯(lián)接，拉拔裝置與上方的電子秤和起重裝置依次聯(lián)接進(jìn)行拉拔測試。秦山核電站第十一次換料大修期間進(jìn)行拉拔力測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，確定將頂緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩由25 N·m調(diào)整為29 N·m。

4.4 應(yīng)急措施

因核電廠主系統(tǒng)介質(zhì)中含有一定濃度的硼酸，具有較強的腐蝕性，一旦主系統(tǒng)介質(zhì)泄漏，將可能對反應(yīng)堆頂蓋材質(zhì)造成腐蝕。因此，一旦發(fā)現(xiàn)硼酸結(jié)晶必須及時清理。但由于反應(yīng)堆頂蓋球冠部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且輻照劑量率較高，輻射防護(hù)及清理檢查工作實施困難。

為了防止萬一發(fā)生泄漏時主系統(tǒng)水流到頂蓋球冠內(nèi)，可在熱電偶密封結(jié)構(gòu)下方加裝一套引漏裝置，用軟管引出進(jìn)行漏液收集。

5 結(jié)束語

文章通過對秦山核電站第十一次換料大修期間發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)堆堆芯熱電偶密封結(jié)構(gòu)泄漏問題進(jìn)行分析和檢查，并制定了具有針對性的處理措施。通過采用這些改進(jìn)和控制措施，秦山核電站在此后3年多的運行中，堆芯熱電偶密封結(jié)構(gòu)未再出現(xiàn)過任何泄漏現(xiàn)象，本文相關(guān)分析及所采取的處理措施在實踐應(yīng)用中得到了一定的驗證，可為今后CONOSEAL和GRAYLOCK組合式堆芯熱電偶密封結(jié)構(gòu)的維護(hù)和改進(jìn)起到一定的借鑒作用。

[1] 馬明澤. CP300核電廠一回路系統(tǒng)/設(shè)備及運行[M]. 北京: 中國原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.（MA Ming-ze. The primary loop systems/equipment of CP300 nuclear power plant and their operation[M]. Beijing:the China Atomic Energy Publication & Media Co., Ltd., 2011.）

[2] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京：原子能出版社，2007.（Guangdong Nuclear Power Training Center. Systems and Equipment in 900 MWe PWR NPP[M]. Beijing:Atomic Energy Press, 2007.）

[3] Hub Dykstra. Design and Test of Marman“CONOSEAL”Joint[R]. Report No.10074 Aeroquip Corporation/Marman Division，Los Angeles California.