核电厂蒸汽发生器密封堵板优化概述

1 蒸汽发生器密封堵板概述

核电厂大修全面在役检查期间,为保证压力容器在役检查与蒸汽发生器传热管在役检查作业同时进行,需在蒸汽发生器一次侧水室与主管道接管口上安装密封堵板,起到介质隔离的作用。考虑到蒸汽发生器一次侧水室内环境恶劣,因此密封堵板的密封可靠性、拆装便捷性等是衡量密封堵板性能的重要因素。

蒸汽发生器密封堵板通常为金属板与橡胶胶囊组合结构。密封堵板安装时,由一名作业人员经一次侧人孔进入水室内部,再由配合人员将堵板各部件依次从人孔递入水室内部,由作业人员将堵板可靠安装在一回路接管上,并将连接螺栓拧紧。密封堵板安装后,通过控制柜对堵板气囊进行充气和压力调节,当堵板气囊压力低于设定值时控制柜会发出声光报警,提醒操作人员关注异常状态,必要时检查密封堵板是否存在泄漏。

当前,核电厂主要从密封堵板的结构设计、安全功能、拆装工序等方面对蒸汽发生器密封堵板拆装作业进行优化。郭林林等人[1]对蒸汽发生器密封堵板的结构选型进行设计研究;陈嘉杰等人[2]优化设计了密封堵板的控制系统;要巍等人[3]对密封堵板的拆装过程及ALARA措施进行了优化;张晓春和段星光等人[4—5]针对堵板拆装作业流程设计开发了新型堵板操作机器人,具有一定的应用前景。目前蒸汽发生器密封堵板仍存在部分问题需改进优化,如堵板装置安全冗余功能少,易发生由单一缺陷引发的整体功能丧失;密封堵板拆装作业工序不统一,造成作业人员非必要照射等问题。

2 蒸汽发生器密封堵板优化

2.1 密封堵板结构设计优化

某核电机组密封堵板如图1所示,主体结构由3块金属板以及橡胶胶囊组成。密封堵板的金属板包括中间板和两块侧板,中间板与底部的胶囊(部件3)采用螺栓(部件12、13)连接,两块侧板位于中间板两侧。金属板具有一定的抗辐射能力和耐辐照性能,在保证堵板承压能力的同时可减轻设备质量。胶囊为圆形碗状结构,便于安装到一回路接管内,胶囊材质为EPDM,具有优良的耐辐照性能和物理性能。

密封堵板采用两道气囊密封结构,气囊位于堵板碗状胶囊侧面,为中空环状结构,与堵板胶囊采用一次成型工艺。根据气囊与介质接触位置分为干室、湿室两部分,通过连接在堵板上的气管向干、湿室内充入一定的气压使气囊膨胀,在接管壁上产生挤压形变,从而起到密封作用。气囊充气后会在干、湿室之间形成密闭腔室,此腔室为中间室(部件9)。中间室需维持一定压力的气体,可以起到监测干、湿室密封状态的作用。

密封堵板安装时,首先将中间板和胶囊卷曲送入蒸汽发生器一次侧水室内,由作业人员放置在接管法兰座上,再依次安装两块侧板,最后由作业人员紧固堵板上的10颗固定螺栓(部件2)。

同时,密封堵板的中间板与两块侧板采用了 自锁结构设计,起到二次锁紧作用,可避免作业人员疏忽大意未有效紧固中间板螺栓,导致密封堵板产生泄漏的事件发生。

2.2 密封堵板装置功能优化

密封堵板装置包括密封堵板本体、密封堵板控制柜。控制柜通过气管与密封堵板连接,每台控制柜可同时控制两个密封堵板。密封堵板安装后,控制柜起到调节及监测密封堵板气囊内部压力的作用。正常使用过程中,干、湿室气囊的压力需要维持在0.35~0.45 Mpa,中间室内部压力需维持在0.05~0.15 Mpa。密封堵板控制柜主要由气体控制回路及电控系统组成。为保证密封堵板的可靠运行,需考虑可能出现的如控制柜失去电源、失去主气源甚至叠加失去电源、气源等异常问题,从而进行功能优化。

密封堵板控制柜内均设置一个UpS备用电源,额定容量为800 W。发生失电问题时,可保证控制柜维持正常工作2 h,为电源缺陷排查抢修提供时间。

密封堵板控制柜采用核岛SAT系统气源供气,系统管线通过快速接头直接与控制柜连接。在密封堵板控制柜内部设置一个贮气罐,容积为5 L,用于贮存备用的压缩空气。当SAT系统意外失气时,贮气罐内的空气可以迅速补充堵板气囊的失气量。同时,考虑到意外失气状态下,气囊内的压力高于管线中的压力,将产生气体返流现象,导致气囊迅速失压,因此在每个堵板供气管线上均设置了单向阀,避免发生气体返流问题。

密封堵板装置新增加了堵板泄漏监测装置,如图2所示,用于实时监测水室内部状态。当出现堵板泄漏时该装置立即发出声光报警,提醒操作人员查看内部状态。

密封堵板泄漏监测装置主要部件包括监控主机、监控云台、球形摄像头以及漏水报警器等。6个蒸汽发生器水室内均放置一台监控摄像头和一个漏水监测装置,6路视频信号和漏水报警信号汇总于监控主机。监控主机为嵌入式系统设计,放置在厂房环廊低剂量区域,便于作业人员巡检查看实时状态。泄漏监测报警包括移动侦测报警以及漏水传感器报警两种。移动侦测报警系统通过检查连续视频帧的图像变化来判断堵板泄漏,该报警为泄漏初期的监测报警措施。漏水传感器则利用两电极触点导通原理进行报警,当密封堵板泄漏量使水室内的液位覆盖漏水传感器时,系统检测到电路导通后将发出报警,提醒作业人员关注堵板状态,该装置为泄漏中期的监测报警措施。

为优化密封堵板装置的控制及监测功能,增加了备用气体贮存装置、UPS临时电源装置以及泄漏监测报警装置,有利于避免因单一意外故障引发的堵板整体功能失效,同时可针对堵板泄漏情况及时发出声光报警,降低了作业人员巡检劳动强度,有效提高了设备运行可靠性,减轻了事故发生后果。

2.3 密封堵板拆装操作优化

蒸汽发生器密封堵板拆装作业需要作业人员进入蒸汽发生器一次侧水室内部,具有辐射剂量高、作业环境恶劣等不利因素。为保证作业人员的安全性以及密封堵板安装的可靠性,降低作业集体剂量,有必要对堵板拆装操作进行优化。

密封堵板拆装操作优化主要包括人员组织分工优化、操作工序优化、操作工具优化等。同时,在大修前组织操作人员进行脱产培训,提高人员技能熟练度,可进一步节省作业时间。

蒸汽发生器密封堵板拆装工序[3]如表1所示。该操作模式中每个水室需要一名操作人员进入水室内部。该操作人员需要同时执行密封堵板的安装、螺栓紧固并打力矩以及疏水孔堵塞的安装等多种工序,对操作人员的技能水平要求较高。同时,由于作业环境恶劣,操作人员精神高度紧张,易导致操作人员遗漏作业工序,造成密封堵板泄漏或工作时间延长的风险。

通过作业工序、作业工器具等优化措施,优化后的作业时间与优化前单人进行操作的工作方式相比,对操作人员的技能水平要求更低,可有效降低作业风险。同时,密封堵板螺栓紧固及旋松操作采用电动工具后,拆除作业可减少一名操作人员,总用时仅需2.3 min(为技能熟练作业人员的实施时间)。优化后密封堵板拆、装作业总用时低于优化前的总用时,因此上述优化措施可在保证密封堵板可靠性的条件下,有效降低作业集体剂量。

某电厂OT501大修期间,采用优化后的密封堵板拆装操作方式,作业时间以及集体剂量水平均低于控制目标,具体如表2所示,优化措施取得良好效果。

3 结束语

某核电厂蒸汽发生器密封堵板结构设计、装置功能以及拆装方式等方面的优化措施,对密封堵板的操作便捷性、运行可靠性以及辐射防护等方面具有十分有益的效果。目前,上述措施均已经过现场实践验证,密封堵板运行可靠性良好,集体作业剂量控制处于业内领先水平。因此,上述优化措施具备实施推广价值。

蒸汽发生器密封堵板拆装作为核电厂全面解体大修期间的高辐射风险作业,保证设备运行可靠和集体剂量控制仍是亟待改进优化的主要目标。目前,同行电厂均对蒸汽发生器密封堵板进行了不同程度的优化探索,如采用具备紧固指示的密封堵板螺栓部件、卡扣式密封堵板固定方式、基于PLC控制的密封堵板控制柜等,这些都对蒸汽发生器密封堵板的优化改进具有十分重要的参考借鉴意义。

[参考文献]

[1] 郭林林,朱存平,罗辉国,等.基于PLC的堵板密封装置控制系统设计[J].自动化仪表,2021,42(2):16-18.

[2] 陈嘉杰,余冰,吴玉,等.全自主堵板操作机器人系统设计[J].科学技术与工程,2020,20(29):11987-11991.

[3]要巍,王超.方家山机组蒸汽发生器装拆堵板的辐射防护最优化[J].科技视界,2020(15):116-120.

[4]张晓春.蒸汽发生器一次侧水室封头管嘴堵板设计研究[D].上海:上海交通大学,2016.

[5]段星光,李常,王永贵,等.核电站蒸汽发生器堵板操作机器人机构设计与实现[J].制造业自动化,2014,36(20):1-5.

《机电信息》2025年第19期第19篇