乏燃料水池冷卻器密封墊片結構改進

李 云，何少華，戚宏昶，王 聰，王成林，鐘波靈

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

乏燃料水池冷卻器密封墊片結構改進

李 云，何少華，戚宏昶，王 聰，王成林，鐘波靈

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

秦山320 MW核電機組的兩臺乏燃料水池冷卻器，已經連續運行20余年。按照預防性維修大綱要求，必須對其解體檢修。經分析研究后，提出對設備原有密封墊片結構進行改進，采用局部抽芯的方式進行預防性解體檢修。設備投入運行后，效果良好，無泄漏等異常情況，保證了機組的安全穩定運行。同時，也為其他類似設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；密封結構；改進

秦山320 MW核電機組乏燃料水池冷卻和凈化系統設有兩臺乏燃料水池冷卻器（RSPF-S07-01A/B-SHH），用于導出乏燃料衰變熱，保證水池水溫始終處于設計的溫度范圍內，為核安全三級設備。若其發生故障，衰變熱無法導出，池水升溫到飽和狀態后開始沸騰，水位會由于沸騰蒸發而逐漸下降，直至乏燃料完全裸露，最終將導致乏燃料熔毀等嚴重核事故，所以其重要性不言而喻。2011年日本福島核事故之后，乏燃料水池冷卻問題更是受到了廣泛的關注。然而，該設備自1991年機組并網發電至今已經連續運行20余年，按照預防性維修大綱《乏燃料水池冷卻和凈化系統（RSPF）》（QWD-J-013）的要求，必須對其進行解體檢修，防患于未然。

1 設備結構及方案選擇

1.1 設備結構

本設備為臥式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到2 t左右，長度約為3 500 mm，直徑約為800 mm。設備基本參數見表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（見表2）。

經過評估，局部抽芯風險可控，檢修成本較低，從安全性與經濟性方面綜合考慮，是性價比最好的一種檢修方式。但是，其管板筒體側原整體式密封墊片在局部抽芯的檢修方式下無法安裝，必須對其密封墊片結構進行改進。

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 難點分析

此次乏燃冷卻器局部抽芯解體檢查的主要難點在于管板筒體側密封墊片的更換，原有密封采用環形整體式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行更換，局部抽芯的檢修方式決定管板筒體側密封墊片必須為開口式。常見的開口式密封墊片為HALF式結構，即兩個半環組合的結構，有兩處開口。但是，開口式密封墊片相對薄弱的環節在其開口處，被密封介質易從此處泄漏。為了確保良好的密封效果，需要減少開口的數量，即單開口式密封墊片。然而，使用單開口式密封墊片存在3個技術難點：

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

2）單開口式密封墊片安裝后，整體與U形管束的中心線基本垂直，兩個接頭處于豎直狀態，對其進行處理時，沒有約束，接頭對中定位難度大，易錯位。

3）U形管束回裝至筒體時，要保證密封墊片處于管板筒體側密封面中心以達到最佳密封效果，即密封墊片應與管板、筒體同心。但是在自由狀態下，由于重力作用，密封墊片與管板、筒體偏心距離較大，無法處于管板筒體側密封面中心，需要設計約束。

3 解決措施

3.1 密封墊片改進

FULTEC（金屬波紋復合墊）墊片是由同心規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，波紋狀結構使材料的流動性最小化，填充材料起到密封作用。目前，在石油化工等領域已得到廣泛應用。

受此啟發，選擇力學性能良好的316L不銹鋼做成波紋狀金屬骨架，在0°方向上設計一處對接開口，在90°和270°方向上，各加裝一個“手柄”，再結合管板筒體法蘭上的鎖緊螺栓孔位置尺寸，在其上預留圓孔。如圖2所示金屬骨架簡圖（未畫出波紋線）。在U形管束回裝筒體過程中，利用鎖緊螺栓穿過管板法蘭上的螺栓孔、金屬骨架“手柄”上的預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口接頭進行焊接打磨處理后，再將柔性石墨條帶復合其上，如圖3所示。

圖2 金屬骨架簡圖Fig.2 Sketch of the metallic framework1—預留圓孔的手柄；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徑尺寸接近，單自由度運動無法直接安裝骨架，考慮設計成雙自由度運動，即利用金屬骨架的彈性變形，使兩個接頭略微張開一定距離（僅大于管板法蘭厚度45 mm即可），一個接頭先穿過管板，再使整個骨架以U形管束為軸做螺旋進給運動，直至第二個接頭穿過管板后，金屬骨架整體就位于管板筒體之間，完成安裝過程中的關鍵一步，如圖4所示。

3.3 接頭對中定位

單開口式金屬骨架安裝完成后，與U形管束的中心線基本垂直，即兩個接頭處于豎直狀態，有3個自由度運動方向，進行焊接連接時，對中定位難度大于其處于水平狀態之時。為了保證豎直狀態下，兩個接頭焊接的對中定位精度，設計了專用夾具。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，僅在一側留出一個張口，形成一條平整的狹縫，將骨架的兩個接頭對中固定于其中，再用鎖扣輔助夾緊，限制接頭的自由運動，保證焊接過程中，接頭不會錯位。夾具張口處再預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

為了驗證密封墊片結構改進的可行性與可靠性，分別對其進行了接頭焊接，力學性能以及水壓測試等模擬試驗。

試驗結果表明：各項指標符合相關標準，滿足使用要求[4-6]。

3.5 應用效果

上報國家核安全局審查批準后，分別對兩臺乏燃料水池冷卻器實施了解體檢修。

兩臺乏燃料水池冷卻器自解體檢修后，投入運行，效果良好，無泄漏等異常情況發生。

4 結束語

乏燃料水池冷卻器密封墊片開口形式、安裝方式、對中定位及接頭處理的創新設計，為采用局部抽芯的方式進行預防性解體檢修奠定了堅實基礎，降低了設備解體檢修的巨大風險，避免了設備整體更換的高昂代價，為320 MW核電機組的安全穩定運行消除了隱患。同時也為其他類似設備的解體檢修提供了一種思路與方法。

[1] 核工業部上海核工程研究設計院. 廢燃料池冷卻器設計說明書HX02SM[R]，1985.（SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH＆DESIGN INSTITUTE. Instruction of the spent fuel pool cooler HX02SM[R]，1985.）

[2] 七二八工程研究設計院. 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，FULTEC GASKET[R]，2009.）

[4] 寧波天生密封件有限公司工程技術中心. 波形石墨復合墊片立體焊接報告[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中心. 波形石墨復合墊片檢驗報告[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中心. 波形石墨復合墊片水壓試驗報告[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，工學碩士，工程師，從事核電站設備可靠性工作。