核電廠穩壓器電加熱器異常經驗反饋

張　斌，鄒國強，黨恒軍，劉旺瑛

（1. 西安核設備有限公司， 陜西　西安　710021；2. 中廣核工程有限公司， 廣東　深圳　518114）

核電廠穩壓器電加熱器異常經驗反饋

張斌1，鄒國強2，黨恒軍1，劉旺瑛1

（1. 西安核設備有限公司， 陜西西安710021；2. 中廣核工程有限公司， 廣東深圳518114）

運行核電廠穩壓器電加熱器能否正常工作直接關系到核電廠的安全運行。通過對某新建核電廠調試期間穩壓器電加熱器故障事件進行剖析，結合電加熱器制造安裝工藝和工程試驗驗證，得出了該型號電加熱器填充物的使用溫度限值（140 ℃）。采用加速失效思想設計了預計電加熱器壽命的試驗，找到了電加熱器熱老化的相關規律。根據電加熱器填充物使用溫度限值和熱老化規律，給出了電加熱器使用保養建議和處理類似事件的經驗反饋，對核電廠的安全運行有一定的指導意義。

穩壓器； 電加熱器； 加速失效； 熱老化； 經驗反饋

穩壓器是壓水堆核電站（Nuclear Power Plant， NPP）的關鍵設備，起著維持系統壓力的作用。壓水堆核電站一回路穩定運行壓力為15.5 MPa，穩壓器是唯一處于汽水兩相狀態的主設備，其上部存在一定容積汽腔，根據負荷的不同，其水位在20%～60%變化。利用底部電加熱和頂部噴淋來控制水-汽平衡，在正常功率波動及中、小工況下，將主冷卻劑系統壓力變化控制在允許范圍內，以保證反應堆一回路壓力的穩定，避免發生緊急停堆。若多根穩壓器電加熱器發生故障，可能導致反應堆冷卻劑系統運行壓力發生波動，而造成非計劃停堆，將對機組安全性和經濟性造成不利影響。因此，穩壓器電加熱器可靠運行在壓水堆核電廠的安全運行中起到非常重要的作用［1-2］。

壓水堆核電廠穩壓器電加熱器預期壽命大約20年。實際上由于電加熱器用材料非各向同性及運行操作、維護保養等環節不到位，少量電加熱元件的使用壽命會低于最小設計壽命。

穩壓器電加熱器組件的制造和安裝工藝較為復雜［2］，在役核電廠更換電加熱器施工難度大，由此產生的維修成本極高，且國內外只有極少數機構有能力進行維修［3］。本文將介紹電加熱器組件的制造安裝工藝、討論加熱器組件損壞的原因并在此基礎上指出加熱器保養的經驗反饋。

1　穩壓器電加熱器組件制造安裝工藝簡介

1.1電加熱器組件及制造要求

穩壓器電加熱器組件由電加熱器和貫穿套管兩部分構成（見表1），電加熱器按照《電加熱器制造和驗收技術條件》在合格供貨商中外購成品［3］，并與焊在穩壓器下封頭內側的貫穿套管相焊，通過焊接方式保證承壓邊界的完整性［4］。電加熱器的貫穿套管所用鍛件為核級材料，質保體系一直延伸到分供方，不僅制造過程受到嚴格監督，而且鍛件成品后制造單位仍會進行入廠復驗。所有項目確認合格后，才會機加工、檢測和水壓試驗等。

1.2電加熱器組裝及焊接

（1）貫穿套管冷裝工藝介紹

在下封頭指定部位鉆孔，冷裝前必須復測各孔及貫穿套管尺寸，并進行一一編號，確保冷裝階段套管能夠順利進入相應孔位，保證安裝的電加熱器套管符合圖紙要求［5］。按照順序進行有規律的錯位安裝，將對應編號的貫穿套管從液氮貯槽中取出裝入對應編號的開孔中，安裝時間不超過3 min；液氮貯槽的液面要高于零件表面，冷卻時間不少于15 min［6］（見圖1）。

表1　電加熱器組件信息Table 1　The main parts of the electrical heater components

圖1　穩壓器下封頭貫穿套管孔分布Fig.1　The layout of the pressurizer lower head penetration sleeve holes

（2）下封頭與電加熱器組件焊接方案

穩壓器下封頭安裝了63根電加熱器，其中60根正常工況下使用，3根處于備用狀態。所有貫穿套管冷裝工作完成后，采用手工氬弧焊在穩壓器豎立狀態下完成電加熱器貫穿套管與下封頭的焊接和檢測［7］。接著將內圈7根貫穿套管與相應加熱器進行組焊，然后焊接中間一圈26根，最后焊接最外圈30根。為便于制造期間無損檢測及焊縫返工，每一圈電加熱元件焊接完畢后首先進行無損檢驗，只有檢測合格才能繼續進行外圈電加熱器焊接［8-9］。組焊完成后按照要求對電熱元件性能測試并將結果進行記錄［10］（見圖2、圖3）。

圖2　貫穿套管與下封頭組焊示意圖Fig.2　The assembly-welding of the lower head and penetration sleeve

2　穩壓器加熱器故障事件回顧

2014年11月，國內某新建核電廠調試期間發現1號機組穩壓器少量電加熱器連接線纜脫落，連接接頭燒損。隨后業主組織設備制造單位、電加熱器供貨商等到現場進行實地查看并初步調查了事件的原因。現場損壞確認無法繼續使用的電加熱器問題如表2所示。

圖3　貫穿套管與電加熱元件組焊示意圖Fig.3　The welded-style between lower header and sleeve

另外聯合調查中還發現該電廠穩壓器安裝和運行存在以下問題［1］：

1）所有加熱器均沒有安裝翅片散熱器。

2）保溫層安裝不符合規范，造成加熱元件外露有效高度縮短，同時電加熱器元件之間的間隙也變得更加狹小，不利于加熱器外表面熱量向環境中傳遞。

3）一些供電電纜的彎折角度過大。

4）熱態試驗溫度記錄儀顯示，接插件表面溫度高達198 ℃，這一溫度僅是針對加熱器連接件表面的。還不確定是否所有加熱器滿負荷運行以及環境溫度狀況。如果不利因素疊加在一起，加熱器表面的實際溫度會更高。

3　原因分析及討論

穩壓器制造單位聯合電加熱器供應商進行了原因分析，對電加熱器填充的環氧樹脂、加熱器的熱老化影響因素進行了理論分析和實驗驗證，最終給出了電加熱器失效的機理。

3.1電加熱器環氧樹脂溫度限值分析

通過現場觀察不難看到，個別損壞加熱器的填充樹脂已經流出，初步分析可能是樹脂的耐熱性能超過了溫度限制。本批供貨的加熱器選擇Stycast 2762型環氧樹脂疊加17型催化劑作為接插件的填充物，因為該組合填充物具有低收縮率、低熱膨脹系數、高溫度阻抗、已經30多年的使用經驗等優勢。

表2　現場加熱器損壞情況Table 2　Heaters ruined on site

溫度限值以下樹脂能夠確保電加熱器有良好的物理和電氣性能，且填充樹脂的老化會非常的緩慢，有利于電加熱器長時間使用。但畢竟環氧樹脂在溫度限值以上會受到嚴重的損害，使用中必須對樹脂在高溫狀態下失效的過渡溫度進行評估，以便給出防止Stycast型樹脂在高溫下過快老化的溫度限值［12］。

使用膨脹測量法在室溫至230 ℃的不同溫度環境下對一批加熱器進行了電性能和機械性能測試，結果發現Stycast樹脂的過渡溫度限值約為140 ℃。顯然，新建核電廠熱試階段加熱器表面的溫度已經超過該溫度限值至少58 ℃，因而環氧樹脂出現了過燒流出現象。

3.2加熱器的熱老化壽命分析

核電站穩定運行要求電加熱器的使用壽命半功率狀態下超過20 000 h，如果嚴格按照實際情況進行常規試驗測試其熱老化壽命不但耗時，還要耗費大量人力、物力，也滿足不了工程的要求，為解決這一矛盾，此次驗證試驗引入了加速壽命試驗。所謂電加熱器的加速失效壽命試驗，在既不改變實際使用條件的失效機理，又不增加新的失效機理的前提下，選擇溫度作為加速應力，把各種溫度應力下的工作次數、時間作為壽命數據進行分析，即以溫度作為自變量，壽命作為因變量進行試驗，以溫度作為加速應力，就是升高電加熱器的實際工作溫度，或加大電加熱器的實際工作溫度的跨度，溫度越高，溫度之間的跨度越大，失效周期就越短，達到了加速失效的目的［13］。

電加熱元件供應商對樣品進行了溫升試驗，觀測“快速”動態彈出現象。由于試驗主要進行熱老化性能驗證，因而電加熱器本身未通電，而是選擇放在熱處理爐中模擬（見表3）。

按照上述加速失效條件進行3組試驗件的模擬，結果顯示隨著溫度的升高，填充樹脂狀態逐步發生變化。250 ℃持續48 h，試件二環氧樹脂在連接插頭外開始膨脹。試件三溫度增至275 ℃，75 h后連接插頭外樹脂加速膨脹、快速彈出，電加熱器完整性已經失效（見圖4～圖6）。

為了進一步了解加熱器內部的損壞情況，對連接接頭試件三進行射線檢測，發現加熱器填充物內部存在裂縫和空隙且環氧樹脂有顯著位移。

3.3失效機理

電加熱元件超負荷工作期間內部承受熱老化，高電壓等沖擊，由此產生空隙、裂縫等缺陷，這些缺陷會降低電加熱元件自身的絕緣電阻，在接插件內部產生電弧，發生短路，進而擊穿樹脂絕緣層，造成電加熱元件性能失效。

表3　電加熱器熱老化壽命模擬試驗Table 3　Simulation test of heater aging life

圖4　試件二的測試結果Fig.4　The test result of test coupon 2

圖5　試件三的測試結果Fig.5　The test result of test coupon 3

圖6　試件三的X射線照射Fig.6　X-ray detection for test coupon 3

3.4電加熱元件壽命預測

阿倫尼烏斯模型（Arrhenius model，AM）適用于加速試樣的熱老化過程。環氧樹脂屬于有機材料適用于該模型［14］。

式中：1t——模擬壽命；

t2——實驗室壽命；

T1——模擬環境溫度；

T2——加速失效溫度；

φ——活化能，eV；

κ——玻耳茲曼常數（8.62×10-5eV/K）。本加速失效試驗中，保守取值，將活化能φ取值為0.8 eV。將表二加速失效試驗中相關數據代入結果如表4所示。

由于尚不清楚有多少電加熱器填充物遭受了高溫的破壞，且無法確定持續時間，因而其余電加熱器的剩余壽命或許更短。

4　結論

1）按照RCCE D2000的有關規定，穩壓器下封頭環境溫度不能大于50 ℃，周圍環境溫度過高將對電加熱器散熱產生不利影響。建議運行過程中對環境溫度進行監測，如果溫度超過50 ℃應立即采取強制冷卻措施（如風冷等），以便提高穩壓器底部散熱的效率。

2）供應商翅片散熱驗證性試驗顯示，安裝翅片能有效降低連接件表面至少40 ℃。為了防止更多電加熱元件超溫損壞，該核電廠電加熱器已經全部安裝了翅片散熱器［15］。

3）Stycast型樹脂的過渡溫度通過膨脹測定曲線得知大約在140 ℃左右，在高于這一溫度的情況下，接插件中的環氧樹脂將會加速老化從而縮短加熱器的使用壽命。溫度記錄顯示該核電廠穩壓器電加熱元件連接件表面溫度達198 ℃，明顯高于過渡溫度限值，建議進一步細化操作規程，加強核安全文化培訓，防止人因失誤［16-17］。

4）目前發生故障的6個電加熱器位于穩壓器下封頭的不同部位，這可能就是電加熱器已經老化的預警，電廠運行中應加強監控。

5）保溫層設計階段對電加熱器對流和輻射散熱空間考慮不到位，鋪設的保溫層占據了一定的散熱空間，造成電加熱器承插件上的熱量無法及時導出。建議將保溫層安裝位置適當低于電加熱器套管連接件，以便套管連接件的熱量可以及時排出。

表4　電加熱器熱老化壽命模擬試驗Table 4　Simulation test for heater aging life

［1］ 廣東核電培訓中心. 900 MW壓水堆核電站系統與設備［M］. 北京：原子能出版社，2004.（Guangdong Nuclear Power Training Center. System and Equipment for 900 MWe PWR NPP［M］. Beijing：Atomic Energy Press， 2004.）

［2］ 路燕，馬若群，房永剛，等.核安全評審中對某核電廠穩壓器的模態分析［J］.核安全，2013，12（2）：25-29.（LU Yan， MA Ruo-qun， FANG Yong-gang， et. al. The model analysis for the pressurizer of a nuclear power plant in the nuclear safety review［J］. Nuclear Safety，2013，12（2）：25-29.）

［3］ 郭世才，安國，陳齊清. 壓水堆核電穩壓器電加熱器故障分析［J］.電工技術，2013，（10）：75-77.（G U O S h i-c a i， A N G u o， C H E N Q iqing. Failure analysis for the pressurizer electric heater in PWR nuclear power plant［J］.Electric Engineering. 2013，（10）：75-77.）

［4］ 鄭津洋，董其伍，桑芝富，等.過程設備設計［M］. 北京：化學工業出版社，2005.（ZHENG Jin-yang，DONG Qi-wu， SANG Zhi-fu， et al. Process Equipment Design［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2005.）

［5］ 中國核動力研究設計院. 穩壓器電加熱元件技術規格書［S］.（Nuclear Power Institute of China. Technical Specifications for the Pressurizer Electrical Heating Element［S］.）

［6］ 李偉清，林黎峰，辛向華.穩壓器冷裝管孔的研磨技術［J］.現代制造工程，2013（7）：62-64.（LI Weiqing， LIN Li-feng， XIN Xiang-hua. Grinding technique of the pressurizer expansion fitting casing tube hole［J］. Modern Manufacturing Engineering. 2013（7）：62-64.）

［7］ 中國核動力研究設計院. 穩壓器電加熱元件套及其連接件技術條件［S］.（Nuclear Power Institute of China. Technical conditions for the pressurizer electrical heating element casing and its connecting piece［S］.）

［8］ 唐俐.穩壓器下封頭與加熱套管的焊接工藝及應用［J］.壓力容器，第26卷（第11期）：42-45.（TANG Li. Welding technique and application for the pressurizer lower head and heating thimble［J］Pressure Vessel. Vol. 26 （Issue 11）：42-45.）

［9］ 楊建東. 核電站穩壓器加熱元件套管渦流檢查設備研制［D］. 天津：河北工業大學，2013.（YANG Jian-dong. Development of turbulence inspection equipment for the pressurizer heating element thimble in nuclear power plant［D］. Tianjin：Hebei University of Technology， 2013.）

［10］ 王建濤，李鵬飛. 核一級設備穩壓器電加熱元件焊接［J］.電焊機，2009（8）：37-40.（WANG Jian-tao， LI Peng-fei. Welding of the electrical heating element of the pressurizer of Class-1E equipment ［J］. Eletric Welder， 2009（8）：37-40.）

［11］ G.Legret， Proceedings of report on connector failure HI1525R006［C］.Beijing： thermo coax Company 2014.

［12］ 王軼. 高導熱環氧澆注膠的研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.（WANG Yi. Study on high heat conduction oxido-encapsulating compound［D］. Harbin： Harbin University of Science and Techonlogy， 2011.）

［13］ 代方軍. 基于加速失效壽命模型的PWR穩壓器用電加熱器系統可靠性研究［D］. 重慶：重慶大學，2002.（DAI Fang-jun. Study on the reliability of the electric heater system for PWR pressurizer based on accelerated failure life model［D］. Chongqing：Chongqing University， 2002.）

［14］ 江英武. Arrhenius方程應用仍需澄清的問題［J］.含能材料，17（3）：I X-X.（J I A N G Y i n gwu. Problems to be made clear in application of Arrhenius equation［J］. Energetic Materials，17（3）：IX-X.）

［15］ 何澤明. 空氣橫掠平直翅片管流動與換熱的數值研究［D］. 太原：太原理工大學，2013.（HE Ze-ming. Numerical study on heat transfer of air across finned tube at low speeds［D］. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2013.）

［16］ 陳金元，楊孟琢.淺談核安全文化［J］.核安全，2003（2）：1-5.（CHEN Jin-yuan， YANG Meng-zhuo. Brief introduction to nuclear safety culture［J］. Nuclear Safety， 2003 （2）：1-5.）

［17］ 盧偉強，那福利.淺談核安全文化體系的建立和完善［J］.核安全，2009（2）：58-61.（LU Wei-qiang，NA Fu-li. Brief introduction to the establishment and improvement of nuclear safety culture system［J］. Nuclear Safety， 2009（2）：58-61.）

The Experience Feedback on Pressurizer Heater Abnormality in a New-built Nuclear Power Plant

ZHANG Bin1， ZOU Guo-qiang2， DANG Heng-jun1， LIU Wang-ying1
（1. Xi'an Nuclear Equipment Co.， Ltd.， Xi'an of Shaanxi Prov. 710021， China；2. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518114， China）

It is critical that the electrical heater of the pressurizer works normally for PWR. Based on analyses for the heater failure events in a new nuclear power plant and combined with the heater manufacturing and installation process and related engineering test， some important parameters， including filler temperature limits of no more than 140 ℃， and thermal ageing principle， are found out. It is helpful for providing advices and experience feedback for the usage and maintenance of heaters， and having some instructive meanings for the safe operation of nuclear power plant.

pressurizer；electrical heaters；failure acceleration；thermal ageing；experience feedback

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0239-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0239-06

2015-02-09

張 斌（1987—），男，陜西商州人，工程師，在職碩士，現從事核安全機械設備售后服務及經驗反饋工作。