李 云，何少華，戚宏昶，王 聰，王成林，鐘波靈

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

乏燃料水池冷卻器密封墊片結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李 云，何少華，戚宏昶，王 聰，王成林，鐘波靈

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

秦山320 MW核電機(jī)組的兩臺(tái)乏燃料水池冷卻器，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行20余年。按照預(yù)防性維修大綱要求，必須對(duì)其解體檢修。經(jīng)分析研究后，提出對(duì)設(shè)備原有密封墊片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用局部抽芯的方式進(jìn)行預(yù)防性解體檢修。設(shè)備投入運(yùn)行后，效果良好，無(wú)泄漏等異常情況，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，也為其他類(lèi)似設(shè)備的解體檢修提供了思路與方法。

乏燃料水池；冷卻器；解體檢修；密封結(jié)構(gòu)；改進(jìn)

秦山320 MW核電機(jī)組乏燃料水池冷卻和凈化系統(tǒng)設(shè)有兩臺(tái)乏燃料水池冷卻器（RSPF-S07-01A/B-SHH），用于導(dǎo)出乏燃料衰變熱，保證水池水溫始終處于設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)，為核安全三級(jí)設(shè)備。若其發(fā)生故障，衰變熱無(wú)法導(dǎo)出，池水升溫到飽和狀態(tài)后開(kāi)始沸騰，水位會(huì)由于沸騰蒸發(fā)而逐漸下降，直至乏燃料完全裸露，最終將導(dǎo)致乏燃料熔毀等嚴(yán)重核事故，所以其重要性不言而喻。2011年日本福島核事故之后，乏燃料水池冷卻問(wèn)題更是受到了廣泛的關(guān)注。然而，該設(shè)備自1991年機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電至今已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行20余年，按照預(yù)防性維修大綱《乏燃料水池冷卻和凈化系統(tǒng)（RSPF）》（QWD-J-013）的要求，必須對(duì)其進(jìn)行解體檢修，防患于未然。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及方案選擇

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)備為臥式U形管熱交換器，管束能整體抽出[1],如圖1所示。U形管束和管板的總重量達(dá)到2 t左右，長(zhǎng)度約為3 500 mm，直徑約為800 mm。設(shè)備基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 乏燃料水池冷卻器Fig.1 Spent fuel pool cooler 1—筒體；2—管板；3—封頭

表1 乏燃料水池冷卻器基本參數(shù)Table1 Basic parameters of the spent fuel pool cooler

1.2 方案選擇

分析研究后，有3種檢修方案可供選擇（見(jiàn)表2）。

經(jīng)過(guò)評(píng)估，局部抽芯風(fēng)險(xiǎn)可控，檢修成本較低，從安全性與經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，是性?xún)r(jià)比最好的一種檢修方式。但是，其管板筒體側(cè)原整體式密封墊片在局部抽芯的檢修方式下無(wú)法安裝，必須對(duì)其密封墊片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

表2 乏燃料水池冷卻器解體檢修方案比較Table2 Comparison between the overhaul schemes for the spent fuel pool cooler

2 難點(diǎn)分析

此次乏燃冷卻器局部抽芯解體檢查的主要難點(diǎn)在于管板筒體側(cè)密封墊片的更換，原有密封采用環(huán)形整體式JC125-66 XB200灰色橡膠石棉墊片[2]，只能在整體抽芯的檢修方式下進(jìn)行更換，局部抽芯的檢修方式?jīng)Q定管板筒體側(cè)密封墊片必須為開(kāi)口式。常見(jiàn)的開(kāi)口式密封墊片為HALF式結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)半環(huán)組合的結(jié)構(gòu)，有兩處開(kāi)口。但是，開(kāi)口式密封墊片相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)在其開(kāi)口處，被密封介質(zhì)易從此處泄漏。為了確保良好的密封效果，需要減少開(kāi)口的數(shù)量，即單開(kāi)口式密封墊片。然而，使用單開(kāi)口式密封墊片存在3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

1）受管板筒體側(cè)法蘭密封面尺寸限制，單開(kāi)口式密封墊片的內(nèi)外徑尺寸也已經(jīng)固定，分別為φ815 mm和φ855 mm，而U形管束直徑略小于φ800 mm。墊片內(nèi)徑尺寸與U形管束直徑尺寸接近，因此無(wú)法利用墊片的變形量將兩個(gè)接頭分離足夠的空間（需要大于U形管束直徑，即800 mm左右），然后從管板筒體側(cè)的U形管束上直接進(jìn)行安裝。

2）單開(kāi)口式密封墊片安裝后，整體與U形管束的中心線(xiàn)基本垂直，兩個(gè)接頭處于豎直狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)，沒(méi)有約束，接頭對(duì)中定位難度大，易錯(cuò)位。

3）U形管束回裝至筒體時(shí)，要保證密封墊片處于管板筒體側(cè)密封面中心以達(dá)到最佳密封效果，即密封墊片應(yīng)與管板、筒體同心。但是在自由狀態(tài)下，由于重力作用，密封墊片與管板、筒體偏心距離較大，無(wú)法處于管板筒體側(cè)密封面中心，需要設(shè)計(jì)約束。

3 解決措施

3.1 密封墊片改進(jìn)

FULTEC（金屬波紋復(fù)合墊）墊片是由同心規(guī)則波紋狀金屬核芯兩面加軟性填充材料制作而成[3]。金屬核芯有良好的支撐和抗壓性能，波紋狀結(jié)構(gòu)使材料的流動(dòng)性最小化，填充材料起到密封作用。目前，在石油化工等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

受此啟發(fā)，選擇力學(xué)性能良好的316L不銹鋼做成波紋狀金屬骨架，在0°方向上設(shè)計(jì)一處對(duì)接開(kāi)口，在90°和270°方向上，各加裝一個(gè)“手柄”，再結(jié)合管板筒體法蘭上的鎖緊螺栓孔位置尺寸，在其上預(yù)留圓孔。如圖2所示金屬骨架簡(jiǎn)圖（未畫(huà)出波紋線(xiàn)）。在U形管束回裝筒體過(guò)程中，利用鎖緊螺栓穿過(guò)管板法蘭上的螺栓孔、金屬骨架“手柄”上的預(yù)留圓孔以及筒體法蘭上的螺栓孔，保證三者同心，從而使金屬骨架始終處于管板筒體側(cè)密封面的中心。

其次，選擇抗輻照性能良好的柔性石墨作為密封材料，將波紋狀金屬骨架開(kāi)口接頭進(jìn)行焊接打磨處理后，再將柔性石墨條帶復(fù)合其上，如圖3所示。

圖2 金屬骨架簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of the metallic framework1—預(yù)留圓孔的手柄；2—接頭位置；3—金屬骨架

圖3 密封墊片剖面圖Fig.3 Cross-section of the gasket1—柔性石墨；2—波紋狀金屬骨架

3.2 金屬骨架安裝

由于U形管束的直徑尺寸與金屬骨架內(nèi)徑尺寸接近，單自由度運(yùn)動(dòng)無(wú)法直接安裝骨架，考慮設(shè)計(jì)成雙自由度運(yùn)動(dòng)，即利用金屬骨架的彈性變形，使兩個(gè)接頭略微張開(kāi)一定距離（僅大于管板法蘭厚度45 mm即可），一個(gè)接頭先穿過(guò)管板，再使整個(gè)骨架以U形管束為軸做螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，直至第二個(gè)接頭穿過(guò)管板后，金屬骨架整體就位于管板筒體之間，完成安裝過(guò)程中的關(guān)鍵一步，如圖4所示。

3.3 接頭對(duì)中定位

單開(kāi)口式金屬骨架安裝完成后，與U形管束的中心線(xiàn)基本垂直，即兩個(gè)接頭處于豎直狀態(tài)，有3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)行焊接連接時(shí)，對(duì)中定位難度大于其處于水平狀態(tài)之時(shí)。為了保證豎直狀態(tài)下，兩個(gè)接頭焊接的對(duì)中定位精度，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具。該工裝由兩塊鋼板與一只鎖扣組成，兩塊鋼板焊接組合在一起，僅在一側(cè)留出一個(gè)張口，形成一條平整的狹縫，將骨架的兩個(gè)接頭對(duì)中固定于其中，再用鎖扣輔助夾緊，限制接頭的自由運(yùn)動(dòng)，保證焊接過(guò)程中，接頭不會(huì)錯(cuò)位。夾具張口處再預(yù)留出一矩形缺口用于焊接，如圖5所示。

圖4 金屬骨架安裝示意圖Fig.4 Sketch of installation for the metallic framework1—金屬骨架；2—管板；3—U形管束；4—金屬骨架安裝就位；5—筒體

圖5 金屬骨架接頭對(duì)中定位Fig.5 Alignment and location for the connectors of the metallic framework1—夾具；2—鎖扣；3—金屬骨架；4—接頭

3.4 模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證密封墊片結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性與可靠性，分別對(duì)其進(jìn)行了接頭焊接，力學(xué)性能以及水壓測(cè)試等模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足使用要求[4-6]。

3.5 應(yīng)用效果

上報(bào)國(guó)家核安全局審查批準(zhǔn)后，分別對(duì)兩臺(tái)乏燃料水池冷卻器實(shí)施了解體檢修。

兩臺(tái)乏燃料水池冷卻器自解體檢修后，投入運(yùn)行，效果良好，無(wú)泄漏等異常情況發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

乏燃料水池冷卻器密封墊片開(kāi)口形式、安裝方式、對(duì)中定位及接頭處理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為采用局部抽芯的方式進(jìn)行預(yù)防性解體檢修奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，降低了設(shè)備解體檢修的巨大風(fēng)險(xiǎn)，避免了設(shè)備整體更換的高昂代價(jià)，為320 MW核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行消除了隱患。同時(shí)也為其他類(lèi)似設(shè)備的解體檢修提供了一種思路與方法。

[1] 核工業(yè)部上海核工程研究設(shè)計(jì)院. 廢燃料池冷卻器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)HX02SM[R]，1985.（SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH＆DESIGN INSTITUTE. Instruction of the spent fuel pool cooler HX02SM[R]，1985.）

[2] 七二八工程研究設(shè)計(jì)院. 廢燃料池冷卻器墊片圖紙HX02-14[R]，1984.（SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH＆DESIGN INSTITUTE. Drawings of the spent fuel pool cooler HX02-14[R]，1984.）

[3] 寧波天生密封件有限公司. FULTEC GASKET 2009版[R]，2009.（N ingbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd，F(xiàn)ULTEC GASKET[R]，2009.）

[4] 寧波天生密封件有限公司工程技術(shù)中心. 波形石墨復(fù)合墊片立體焊接報(bào)告[R]，2011.（Engineering＆technical center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Welding report of corrugated composite gasket with graphite[R], 2011.）

[5] 寧波天生密封件有限公司檢驗(yàn)中心. 波形石墨復(fù)合墊片檢驗(yàn)報(bào)告[R]，2012.（Inspection center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Inspection report of corrugated composite gasket with graphite[R], 2012.）

[6] 寧波天生密封件有限公司工程技術(shù)中心. 波形石墨復(fù)合墊片水壓試驗(yàn)報(bào)告[R]，2012.（Engineering＆technical center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Report of water-pressure test for corrugated composite gasket with graphite[R], 2012.）

Gasket Structure Improvement for the Spent Fuel Pool Cooler

LI Yun，HE Shao-hua，QI Hong-chang，WANG Cong，WANG Cheng-lin，ZHONG Bo-ling
(CNNC Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China)

The two spent fuel pool coolers for the 320 MW unit in CNNC Nuclear Power Operation Management Co., Ltd. have operated for more than 20 years. In accordance with the preventive maintenance programs, they must be overhauled. It is decided to improve the original gasket structure of the component and adopt the method of a short-length U-tubes pulling after analysis and study. There are no leakages and other abnormal situations after the equipments being put into operation. The unit is kept safe and stable. At the same time, thought and method for the maintenance of other similar equipments are provided.

spent fuel pool；cooler；overhaul；gasket structure；improvement

TL35 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0224-05

TL35

A

1674-1617(2014)03-0224-05

2014-04-10

李 云（1982—），男，陜西安康人，工學(xué)碩士，工程師，從事核電站設(shè)備可靠性工作。