段宗輝，李延韜，王 碩，畢斗斗

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

EPR 核電機(jī)組是目前最先進(jìn)的三代核電技術(shù)之一，保持設(shè)備及房間溫度的穩(wěn)定性是保證核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。在某EPR 核電機(jī)組運(yùn)行過程中，曾出現(xiàn)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值，而不滿足運(yùn)行技術(shù)規(guī)范對應(yīng)要求的情況，本文針對該問題提出了一種穿戴式軟質(zhì)保溫技術(shù)，替代原有的硬質(zhì)保溫盒，有效地解決了EPR 核電機(jī)組運(yùn)行過程中核島房間超溫問題。

1 EPR 核電設(shè)備保溫設(shè)計總體要求

臺山核電一期工程引進(jìn)了歐洲先進(jìn)壓水堆（European Pressurized Reactor，EPR）機(jī)組，該機(jī)組是能夠滿足新安全法規(guī)要求和更高經(jīng)濟(jì)性要求的新一代改進(jìn)型壓水堆，屬于第三代壓水堆技術(shù)。臺山核電充分吸收了法國和德國核電廠的設(shè)計、建造和運(yùn)行經(jīng)驗［1］，傳承了壓水堆的關(guān)鍵技術(shù)，并采用高可靠性的專用安全設(shè)施，最大限度地降低了風(fēng)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(jìn)壓水堆機(jī)組增加了安全系統(tǒng)的冗余設(shè)置［3］，并采用了隔離準(zhǔn)則和多樣性原理來確保核電廠“單一事故準(zhǔn)則”這一重要安全基石［4］。EPR 核電機(jī)組單機(jī)功率1750 兆瓦，是目前世界上單機(jī)容量最大的核電機(jī)組［5］，其設(shè)備體積、容量均大于其他核電技術(shù)機(jī)組，對于設(shè)備表面的保溫要求也不同于CPR核電機(jī)組，其不同點(diǎn)主要體現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)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(tǒng)保溫介紹Table 1 Introduction to Traditional Thermal Insulation Used in Nuclear Power station

核電站保溫結(jié)構(gòu)設(shè)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(diǎn)，主要包括以下幾個方面［7］，如表2所示：一是核電保溫設(shè)計要保證在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間和瞬態(tài)工況時，能滿足其結(jié)構(gòu)的完整性；二是保溫材質(zhì)具備良好的耐輻照性能，能夠耐高溫，其耐熱溫度要大于設(shè)備或者管道的設(shè)計溫度；三是保溫層在設(shè)計時應(yīng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計要結(jié)合管道或者設(shè)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(shè)備焊縫進(jìn)行檢查，保溫層在設(shè)計時要考慮可達(dá)性和可拆性；六是核電在設(shè)計時考慮抗震級別，保溫在設(shè)計時也需要同步考慮整體設(shè)計相關(guān)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(zāi)害（如倒塌）。本文研究的穿戴式保溫技術(shù)，外部采用耐輻照硅膠面料，內(nèi)部填充玻璃纖維，硅膠面料密封性較好，具有較高強(qiáng)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(shè)備牢固地連接在一起，能夠滿足上述設(shè)計要求。

表2 EPR 核電機(jī)組設(shè)備熱保溫設(shè)計要求Table 2 Design Requirements for Thermal Insulation of EPR Nuclear Power Unit Equipment

2 穿戴式軟質(zhì)保溫特性介紹

2.1 穿戴式軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)組成

穿戴式軟質(zhì)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(nèi)部不銹鋼絲布構(gòu)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(shù)貼進(jìn)行連接。

圖1 穿戴式軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of wearable soft insulation structure

穿戴式軟質(zhì)保溫結(jié)構(gòu)在設(shè)計上嚴(yán)格按照技術(shù)要求與機(jī)組設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行溫度匹配。本文研究的穿戴式可拆卸軟質(zhì)保溫技術(shù)通過模擬仿真進(jìn)行3D 量身設(shè)計定制，確保達(dá)到100%的精準(zhǔn)貼合，相鄰保溫墊之間采用45°或階梯式搭接設(shè)計，確保保溫的有效性，實物樣式見圖2 某核電系統(tǒng)閥門保溫成果展示，通過拉緊魔術(shù)貼保證保溫貼合度及緊密性。

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

2.2 新型穿戴式軟質(zhì)保溫與傳統(tǒng)硬質(zhì)保溫盒特性對比

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

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

穿戴式軟質(zhì)保溫技術(shù)與設(shè)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(tǒng)保溫技術(shù)。傳統(tǒng)硬質(zhì)雙壁盒和軟質(zhì)穿戴式保溫各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表3 所示。

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

3 穿戴式軟質(zhì)保溫應(yīng)用情況

某EPR 核電機(jī)組穩(wěn)壓器房間在某次停機(jī)檢修結(jié)束后，運(yùn)行一周出現(xiàn)房間超溫，監(jiān)測溫度如圖4 所示，房間最高溫度達(dá)到60℃，超出設(shè)計值的55℃，主控室出現(xiàn)報警。工作人員通過對穩(wěn)壓器房間通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析對比，并對各通風(fēng)口風(fēng)量進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，大修前后通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)無差異，風(fēng)閥開度和朝向均與大修前一致，對風(fēng)道進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)無異物堵塞風(fēng)道，對風(fēng)道前段表冷器進(jìn)行檢查，表冷器進(jìn)出口溫度正常，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器頂部保溫存在較多熱點(diǎn)，傳統(tǒng)硬質(zhì)保溫接縫處溫度達(dá)到241.2℃，測量點(diǎn)平均溫度達(dá)到90.5℃，如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)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(shè)備完整性是核電廠安全運(yùn)行的保障［10］，保溫也是完整性的一部分。EPR 穩(wěn)壓器保溫結(jié)構(gòu)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?？刹鹦侗嘏c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(jié)構(gòu)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(jīng)過現(xiàn)場檢查分析認(rèn)為，在換料大修過程中，對穩(wěn)壓器上封頭焊縫進(jìn)行焊縫檢查，硬質(zhì)保溫盒拆裝造成不同程度變形，使得固定保溫盒之間出現(xiàn)較大縫隙，因此熱量會源源不斷地向房間內(nèi)散出，房間溫度隨之升高，導(dǎo)致穩(wěn)壓器頂部房間溫度超出設(shè)計限值，最終主控室出現(xiàn)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(nèi)其他核設(shè)施的正常運(yùn)行。

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

3.1 穿戴式軟質(zhì)保溫在EPR 核電機(jī)組穩(wěn)壓器上的應(yīng)用

某EPR 核電機(jī)組穩(wěn)壓器在首次換料大修后出現(xiàn)房間超溫現(xiàn)象，經(jīng)設(shè)計、運(yùn)行、維修各部門商討后決定采用將原有的硬質(zhì)保溫盒替換成穿戴式軟質(zhì)保溫的改造方案，對穩(wěn)壓器本體與框架之間出現(xiàn)的房間內(nèi)熱量流場進(jìn)行重新分配，保證房間內(nèi)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(jìn)行對比試驗，結(jié)果如圖6 所示，平均溫度下降達(dá)到10℃，結(jié)果證明，采用穿戴式軟質(zhì)保溫，保溫效果優(yōu)于原有硬質(zhì)保溫盒。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)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(zhì)保溫在EPR 核電機(jī)組主蒸汽隔離閥中的應(yīng)用

主蒸汽系統(tǒng)在核電站運(yùn)行中承擔(dān)了重要的安全功能。在發(fā)生安全殼內(nèi)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(shè)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(yùn)行安全。在某EPR 核電運(yùn)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(guān)曾長期出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，溫度最高達(dá)到100℃，溫度升高會影響限位開關(guān)動作的有效性，可能引起設(shè)備誤動，從而引發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆事故發(fā)生。

當(dāng)主蒸汽隔離閥內(nèi)部流動介質(zhì)達(dá)到300℃以上時，傳統(tǒng)保溫技術(shù)采用的硬質(zhì)保溫盒保溫效果無法滿足設(shè)計要求［10］。硬質(zhì)保溫盒在拆卸回裝后，接縫區(qū)域難免出現(xiàn)間隙，保溫盒內(nèi)棉氈分布不均勻，這些都會降低保溫效果。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前市面上生產(chǎn)的新型可拆卸穿戴式軟質(zhì)保溫能有效解決上述問題，經(jīng)設(shè)計、運(yùn)行、維修各方評估，可拆卸穿戴式軟質(zhì)保溫技術(shù)在某EPR 機(jī)組上得到了成功應(yīng)用。通過3D 建模方式，根據(jù)主蒸汽隔離閥物理結(jié)構(gòu)定制出對應(yīng)的保溫技術(shù)，新型軟質(zhì)保溫貼合度更高，在對主蒸汽等系統(tǒng)隔離閥進(jìn)行改造后，限位開關(guān)表面溫度出現(xiàn)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(tǒng)，ARE 為主水系統(tǒng)）。另外，新型軟質(zhì)保溫拆裝更便捷，能夠縮短關(guān)鍵路徑時間，提質(zhì)增效，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

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

4 總結(jié)

穿戴式軟質(zhì)保溫技術(shù)是一種新型的保溫技術(shù)，在某EPR 核電機(jī)組研究中得到了應(yīng)用。該技術(shù)采用軟質(zhì)材料和穿戴式設(shè)備相結(jié)合的方式，能夠有效地提高EPR 核電機(jī)組設(shè)備的保溫效果，確保設(shè)備正常運(yùn)行。本文通過對某EPR核電機(jī)組的概述，介紹了軟質(zhì)保溫特性，并進(jìn)行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地解決核電站設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的房間超溫、設(shè)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(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用穿戴式軟質(zhì)保溫技術(shù)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(shè)計范疇，在設(shè)計施工階段進(jìn)行評估，能夠有效解決當(dāng)前各核電廠房出現(xiàn)的部分通風(fēng)難題。本課題研究的穿戴式保溫技術(shù)在某EPR 核電機(jī)組的成功應(yīng)用，為華龍一號機(jī)組的商業(yè)運(yùn)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(yīng)用［11］。