韓鵬

(中核核電運行管理有限公司 浙江嘉興 314300)

秦山第三核電廠重水堆的燃料通道安裝于反應(yīng)堆排管組件中，其作用是定位并支撐燃料棒束，通過重水冷卻劑在主熱傳輸系統(tǒng)中循環(huán)，將燃料通道中的核燃料裂變產(chǎn)生的熱量傳遞到蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的輕水[1]。每根燃料通道中都有一根鋯合金壓力管，壓力管兩端通過脹接與端部件相連。端部件為壓力管的堆外延伸部分，其有兩個功能。具體敘述如下。

（1）作為裝卸料機(jī)裝換燃料的接口，端部件內(nèi)裝有密封塞，不換料狀態(tài)下由密封塞來確保一回路壓力邊界的完整性；在機(jī)組需要進(jìn)行裝換料時，由裝換料機(jī)和端部件E面進(jìn)行對接，并通過裝卸料機(jī)拆除密封塞裝入料倉，同時端部件E面和裝卸料機(jī)對接處形成一道密封，將一回路壓力邊界延伸到裝卸料機(jī)的密封腔室。（2）端部件另一個作用是通過高壓自緊式法蘭和熱傳輸支管相連，為冷卻劑通向壓力管提供接口，主系統(tǒng)冷卻劑進(jìn)入燃料通道后，在端部件和襯管之間的環(huán)形空間內(nèi)，從位于內(nèi)側(cè)端的襯管的孔流入壓力管中，流過壓力管中的燃料棒束后，將冷卻劑中吸收的熱量從另一側(cè)端部件連接的熱傳輸支管排出。

高壓自緊式法蘭作為一回路的壓力邊界，一旦密封失效會產(chǎn)生PHT 重水泄漏，造成主系統(tǒng)冷卻劑裝量損失，同時造成核島內(nèi)的氚水平上升，對于重水堆機(jī)組而言，氚水平一旦超過標(biāo)準(zhǔn)，就必須停機(jī)停堆對缺陷進(jìn)行徹底處理。所以燃料通道高壓自緊式法蘭的性能對于重水堆機(jī)組安全穩(wěn)定運行非常重要，必須對其密封失效機(jī)理進(jìn)行分析，才能在運行和維修中采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，以保證其密封可靠性。

1 高壓自緊式法蘭密封原理分析

秦山第三核電廠采用的高壓自緊式法蘭是XXX公司生產(chǎn)的用于管道密封的緊湊型法蘭，主要由端部件法蘭、密封環(huán)、套節(jié)、方形法蘭以及聯(lián)接螺栓這5 個部件組成。高壓自緊式法蘭是其密封環(huán)在兩次機(jī)械外力作用下，形成一個幾何變形彈性密封[2]。（1）初始密封。密封環(huán)密封面與套節(jié)密封面產(chǎn)生接觸壓強(qiáng)，形成要求的密封比壓，從而起到密封作用。高壓自緊式法蘭在開始裝配，但螺栓未緊固的情況下，套節(jié)密封面與密封環(huán)的“唇”已經(jīng)接觸，但套節(jié)與密封環(huán)“筋”的配合面間仍保留一定間隙，螺栓緊固后間隙消除，套節(jié)與密封環(huán)“唇”形成過盈配合，配合面產(chǎn)生了接觸壓強(qiáng)，同時密封環(huán)的“唇”產(chǎn)生彈性收縮變形，形成初始密封。（2）自緊密封。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)沖入帶壓介質(zhì)時，在介質(zhì)壓力下使密封環(huán)“唇”與套節(jié)間密封面接觸壓強(qiáng)增大，密封比壓隨系統(tǒng)壓力增大而增大，從而產(chǎn)生自緊密封。由于高壓自緊式法蘭密封環(huán)“唇”的彈性變形有回彈能力，且“唇”有進(jìn)一步發(fā)生彈性形變的余地，能保證介質(zhì)壓力波動及外力作用條件下的可靠密封。

2 分析方法簡要介紹

秦山第三核電廠重水堆機(jī)組燃料通道高壓自緊式法蘭的密封方式，是依靠聯(lián)接螺栓的拉緊力，帶動方形法蘭對密封環(huán)施加壓緊力，其密封是依靠密封環(huán)“唇”的環(huán)錐面通過徑向壓縮、擴(kuò)張，從而使“唇”與套節(jié)密封面和端部件法蘭密封面形成了一定的過盈配合產(chǎn)生接觸壓強(qiáng)。該文將從高壓自緊式法蘭的部件性能、系統(tǒng)工況、維修活動3個方面對其密封失效原因進(jìn)行分析。

3 密封失效原因分析

3.1 部件對密封性能的影響

燃料通道高壓自緊式法蘭作為核1 級設(shè)備部件，從設(shè)計上要求具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能和可靠的密封性能，同時作為密封部件本身的性能對保證密封性能的可靠性起到?jīng)Q定性作用。在結(jié)構(gòu)中螺栓屬于主要受力部件，方形法蘭屬于輔助受力部件，端部件法蘭、密封環(huán)、套節(jié)屬于密封部件，所以其中任何一個部件失效都會造成高壓自緊式法蘭的泄漏[3]。

3.1.1 密封環(huán)材料性能分析

分析：通過計算證明在燃料通道正常運行壓力11.8 MPa下，高壓自緊式法蘭最小維持密封的密封比壓為76.7 MPa，計算密封比壓為294 MPa。密封環(huán)為410SS 馬氏體不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度為758.4 MPa。密封環(huán)機(jī)械性能遠(yuǎn)高于在運行工況下的密封比壓。所以只要密封環(huán)的材料、熱處理工藝、試驗檢查等嚴(yán)格按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除密封環(huán)機(jī)械性能不足導(dǎo)致密封失效。

3.1.2 部件加工精度對密封性能的影響

分析：套節(jié)、端部件法蘭的密封面都是在其錐面上，在平行于套節(jié)中心線的方向上，從平面到密封區(qū)域的遠(yuǎn)邊緣進(jìn)行測量時，其延伸范圍在0.085"～0.250"之間，密封區(qū)域?qū)挾葹?.175"。金屬密封環(huán)是精密加工件，其中錐面密封部分角度是從16°±30′階梯形過渡到19°±30′。和其他機(jī)械密封結(jié)構(gòu)一樣，高壓自緊式法蘭密封部件的加工精度會直接影響其密封性能，如密封環(huán)“唇”角度偏差、套節(jié)角度偏差、密封面光潔度不滿足要求等，都可能會導(dǎo)致密封面受力不均、密封比壓下降等，所以可以直接判斷密封部件的加工精度是可能造成高壓自緊式法蘭泄漏的原因之一。

應(yīng)對措施：對于已投入運行重水堆機(jī)組而言，需要重點關(guān)注的就是機(jī)組壽期內(nèi)燃料通道高壓自緊式法蘭的維修活動，在其維修工藝中，只需要對研磨后密封面的光潔度、垂直研磨量進(jìn)行的檢查。但密封環(huán)是可拆除部件，采用直接更換的方式，故需要重點對新密封環(huán)的可靠性進(jìn)行檢查，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，密封環(huán)“唇”跳動允許在0.010"以內(nèi)，表面粗糙度不超過0.8 μm。

3.2 系統(tǒng)工況對密封性能的影響

3.2.1 外部應(yīng)力影響

分析：聯(lián)接螺栓是結(jié)構(gòu)中的主要受力部件，為沉淀硬化鎳鉻鐵合金（ASME SB637 UNS N07718），其材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部件，從失效檢查情況來看，均未發(fā)現(xiàn)聯(lián)接螺栓出現(xiàn)明顯蠕變，故說明螺栓性能較為可靠[4]。但是在長期運行過程中熱傳輸支管的支吊架、支承件也可能會出現(xiàn)一定程度塑性變形，加上機(jī)組在運行和停堆模式切換下的熱脹冷縮作用，這很可能會導(dǎo)致部分外部附加的拉伸和彎曲應(yīng)力作用在高壓自緊式法蘭上，為克服這一部分外力作用也會抵消掉連接螺栓的一部分預(yù)緊力，對密封性能也是一種削弱因素。

應(yīng)對措施：在機(jī)組大修期間對支吊架、支撐件狀態(tài)進(jìn)行在役檢查，及時消除外部附加的作用力。

3.2.2 螺栓疲勞

分析：目前秦三廠機(jī)組運行20年，在機(jī)組大、小修時高壓自緊式法蘭螺栓會在冷態(tài)、熱態(tài)切換，過程中可能會產(chǎn)生交變應(yīng)力，這是造成螺栓疲勞的一個條件。但高壓自緊式法蘭螺栓材料本身具有很高的抗疲勞性能，同時目前國際上重水堆核電機(jī)組在壽期內(nèi)從未發(fā)生過螺栓疲勞導(dǎo)致密封失效的案例，故排除螺栓疲勞因素。

3.2.3 介質(zhì)對密封部件的腐蝕

分析（1）：重水堆機(jī)組一回路中的介質(zhì)是高純度重水，熱傳輸支管和套節(jié)都為碳鋼材質(zhì)，這也要求系統(tǒng)介質(zhì)必須控制在滿足系統(tǒng)工況要求又要保持在對碳鋼腐蝕最小化的環(huán)境。如果過多的氧氣溶解在一回路介質(zhì)中就會導(dǎo)致介質(zhì)中的溶解氧含量高偏高，從而造成管道、設(shè)備加快氧化腐蝕。

應(yīng)對措施：對一回路中溶解氧的含量進(jìn)行有效控制，通過對一回路補(bǔ)充氫氣（氘氣）、氧氣使其關(guān)系平衡，將一回路溶解氧指標(biāo)控制在≤10 μg O2/kg D2。

分析（2）：重水堆機(jī)組一回路的介質(zhì)是設(shè)計在弱堿性環(huán)境下運行，當(dāng)pH值在4.0以下，碳鋼表面保護(hù)膜被溶解，水中氫離子濃度增加發(fā)生析氫反應(yīng)，腐蝕速度急劇增加；當(dāng)pH值在5～9之間時，腐蝕速度處于一個平緩穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)pH值超過10之后，此時在金屬表面形成氫氧化物保護(hù)膜覆蓋形成鈍化作用，腐蝕速度出現(xiàn)下降。當(dāng)pH 值達(dá)到14 時，氫氧化物保護(hù)膜會轉(zhuǎn)化成可溶性鐵酸鹽，腐蝕速度由又重新上升。

應(yīng)對措施：化學(xué)部門對一回路冷卻劑的PHA值做好取樣監(jiān)測，通過系統(tǒng)加氫氧化鋰，確保冷卻劑在恢復(fù)堿性環(huán)境并能對碳鋼材料起到保護(hù)作用。

3.2.4 電位腐蝕

由于密封環(huán)為不銹鋼材質(zhì)（電極電位?0.74 V），套節(jié)為碳鋼材質(zhì)（電極電位?0.037 V），兩者之間存在一定的電位差，匹配在一起使用后由于電位差的存在，會加速鈍化膜的破壞，但是套節(jié)是熱傳輸支管的一部分，選材上需要保持良好的安裝、焊接性能，所以無法替換，故電位腐蝕無法避免。但是從失效案例來看，目前在國際上重水堆核電機(jī)組壽期內(nèi)均未出現(xiàn)過單一電位腐蝕導(dǎo)致高壓自緊式法蘭密封失效案例。故不作為導(dǎo)致泄漏的可能原因。

3.3 檢修活動對密封性能的影響

3.3.1 氧化腐蝕

分析：在某些特殊情況下，特別是系統(tǒng)長時間停堆檢修過程中主熱傳輸系統(tǒng)的開口維修活動，如壓力管更換、高壓自緊式法蘭拆裝等都需要使用冰塞作為隔離邊界，這種狀態(tài)不同于機(jī)組建造時期各密封部件可以在一個相對干燥的環(huán)境下安裝。即使管道進(jìn)行了疏水，但是受冰塞、管壁上余水的影響開口處濕度較大，套節(jié)碳鋼表面會直接和空氣接觸，發(fā)生氧化腐蝕的概率很高[5]。

應(yīng)對措施：為了避免碳鋼部件在檢修過程中氧化腐蝕，在打開高壓自緊式法蘭后，要及時在套節(jié)和端部件法蘭密封面上涂抹鋰基潤滑脂來隔絕密封面和空氣直接接觸，防止密封面的氧化腐蝕。

3.3.2 部件的清理檢查不足

分析：目前核電站都是建設(shè)在沿海地區(qū)，空氣中含有較高的氯離子，所以機(jī)械部件必須有良好的儲存環(huán)境，密封部件在加工制造及檢測后清理不干凈，表面殘存的化學(xué)物質(zhì)也可能導(dǎo)致部件在儲存過程中產(chǎn)生表面的腐蝕[6]。

應(yīng)對措施：在維修規(guī)程中明確密封部件表面腐蝕情況檢查要求，同時明確部件清潔使用丙酮作為清洗劑。

3.3.3 密封環(huán)沒有“坐平”

分析：在燃料通道高壓自緊式法蘭密封結(jié)構(gòu)中，合格的上下兩道密封線應(yīng)該是兩個一定寬度并且完整的圓周線，而且密封環(huán)與端部件法蘭和套節(jié)法蘭沒有相對運動。但不排除會由于安裝的某些原因，導(dǎo)致兩道密封線并不是完全的圓周線，或為橢圓線，或密封線的寬度不等，甚至部分位置可能發(fā)展到完全斷開，即密封環(huán)“唇”的受力不均或某一部分集中受力，這就會導(dǎo)致密封失效并產(chǎn)生泄漏。在高壓自緊式法蘭裝配結(jié)構(gòu)中，套節(jié)、金屬密封環(huán)以及端部件法蘭這3個部件是一個三段式的組合，當(dāng)3個部件的同心度出現(xiàn)偏斜，就會出現(xiàn)密封環(huán)不能“坐平”在套節(jié)和在端部件法蘭密封面上，并導(dǎo)致密封線的橢圓化。

應(yīng)對措施：密封環(huán)在裝配時沒有“坐平”問題，在裝配前的測量和檢查階段以及裝配完成后的壓力試驗階段也都可以發(fā)現(xiàn)，不會帶入系統(tǒng)運行狀態(tài)下。通過秦三廠對燃料通道高壓自緊式法蘭安裝試驗，控制密封環(huán)的坐平可以采用以下方式：（1）在密封環(huán)安裝到端部件法蘭時，使用兩個厚度為0.01"長條形墊片，對稱放在密封環(huán)“筋”和端部件法蘭平面之間，消除密封環(huán)“筋”和端部件法蘭平面之間的間隙以及可擺動的角度，以保證密封環(huán)在端部件法蘭上“坐平”；（2）和套節(jié)連接后，取出厚度為0.01"的長條形墊片，再使用兩個厚度1/8"墊片放在套節(jié)平面和端部件法蘭平面之間，對稱擰緊連接螺栓直至套節(jié)平面均勻接觸到1/8"墊片后再將其抽出，這樣就可以保證密封環(huán)密封面在套節(jié)密封面上“坐平”。

3.3.4 螺栓預(yù)緊力不足

分析：由于燃料通道高壓自緊式是為重水堆堆芯結(jié)構(gòu)專門進(jìn)行過改造，所以不同于傳統(tǒng)高壓自緊式法蘭，傳統(tǒng)高壓自緊式法蘭的卡套為主要受力部件、螺栓為輔助受力部件，這種結(jié)構(gòu)可以使其密封環(huán)在360°方向均勻受力。但是由于重水堆機(jī)組燃料通道特點和布置情況不同于普通管道，其中一個套節(jié)用端部件法蘭替代，增加了一個方形法蘭并采用了4 顆螺栓替代卡套作為唯一受力原件。

應(yīng)對措施：在裝配過程中除了控制密封環(huán)的“坐平”，方形法蘭和端部件法蘭聯(lián)接螺栓預(yù)緊力也非常重要，壓緊力不足也會對泄漏產(chǎn)生貢獻(xiàn)，所以安裝的可靠性一定要將螺栓預(yù)緊力結(jié)合起來衡量。

3.3.5 過量研磨導(dǎo)致密封比壓降低

分析：目前針對高壓自緊式法蘭泄漏，國際上通用的維修工藝就是對套節(jié)或端部件法蘭的密封面進(jìn)行研磨修復(fù)，但研磨實質(zhì)性就是對密封面的垂直車削，會導(dǎo)致密封區(qū)域的位移，同時也會伴隨密封比壓的降低，從設(shè)計上來說套節(jié)或端部件法蘭的密封面都是有一定的研磨裕量，但是在修復(fù)過程中一旦超出研磨裕量時會造成高壓自緊式法蘭密封不嚴(yán)。

應(yīng)對措施：密封面的修復(fù)是使用氣動研磨工具，根據(jù)秦三廠多次試驗得出，研磨60 s 密封面的垂直位移量在0.002"～0.003"，參照技術(shù)規(guī)格書要求密封面垂直位移量在<0.0015"和0.0015"～0.015"這兩個階段需要采取不同的維修手段，所以在維修規(guī)程中需制定研磨15 s 就進(jìn)行一次密封面的檢查和測量要求，以保證不會過量車削套節(jié)密封面。

4 結(jié)論

該文主要針對燃料通道高壓自緊式法蘭，從其密封機(jī)理出發(fā)，結(jié)合部件性能、系統(tǒng)工況、維修活動3 個方面對影響密封性能的因素進(jìn)行了詳細(xì)評價和分析。得出主要結(jié)論概括如下。（1）結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算得出運行工況下的密封比壓，并分析對比各部件機(jī)械性能，證明密封環(huán)機(jī)械性高于工況要求；分析密封環(huán)加工精度對高壓自緊式法蘭密封性能的影響，并提出密封環(huán)檢查的要求。（2）分析一回路系統(tǒng)工況下，外部應(yīng)力、重水冷卻劑中溶解氧含量、PHA值以及開口維修活動對高壓自緊式法蘭密封性能的影響，并提出相應(yīng)的控制要求。（3）分析檢修活動中密封部件氧化腐蝕、密封環(huán)不能“坐平”、過量研磨是影響高壓自緊式法蘭密封性能的因素，并提出相應(yīng)的檢修方法；通過力矩計算值和實際值對比、螺栓材料性能分析排除螺栓預(yù)緊力不足。（4）根據(jù)“4.密封失效原因分析”編制燃料通道高壓自緊式法蘭泄漏原因?qū)φ毡恚唧w如表1所示。

表1 燃料通道高壓自緊式法蘭泄漏原因?qū)φ毡?/p>

該文通過對密封性失效原因的深度分析，可以指導(dǎo)電廠從備件驗收、系統(tǒng)控制、維修實施等角度有效提高燃料通道高壓自緊式法蘭的可靠性，同時為自主研發(fā)高燃料通道高壓自緊式法蘭維修工藝提供了重要理論基礎(chǔ)。