核電廠電氣貫穿件密封性監(jiān)測方法及分析

李曉庚　王志永

【摘 要】核電廠電氣貫穿件是安裝在安全殼上用于電纜穿越安全殼的專用電氣設備，作為安全殼的一部分，構成反應堆第3道安全屏障，在反應堆正常運行和事故條件下（包括地震和失水事故），維持安全殼壓力邊界的完整性和用電設備的電氣連續(xù)性，防止放射性物質(zhì)外泄。因此，電氣貫穿件是核電站安全穩(wěn)定運行的重要保障之一，其密封性能直接關系到整個反應堆的安全性能。本文通過對電氣貫穿件的密封性監(jiān)測方法的介紹及分析，提出了優(yōu)化建議，為今后電氣貫穿件的密封性監(jiān)測提供借鑒與參考。

【關鍵詞】核電廠；電氣貫穿件；密封性監(jiān)測；優(yōu)化建議

1 電氣貫穿件結(jié)構

電氣貫穿件主要由筒體組件（貫穿套筒）、壓力監(jiān)測組件（壓力表及閥門）、導體組件及其密封卡套組、接線箱及緊固件組成。

1）筒體組件是電氣貫穿件的主體結(jié)構，其貫穿安全殼預埋套筒，并通過焊接的方式與鋼襯里相連。筒體與鋼襯里的密封性通過滲透的方式進行檢查。

2）導體組件的密封結(jié)構由不同規(guī)格的絕緣包覆導體、PEEK材料制成的不同芯數(shù)的密封模塊和不銹鋼保護套管組成，通過連續(xù)均衡擠壓工藝實現(xiàn)導體組件的成型，成型后的導體組件具有較好的密封性能。[1]

3）壓力監(jiān)測組件安裝在電氣貫穿件安全殼外側(cè)的筒體上，用來實時監(jiān)測電氣貫穿件內(nèi)部氣體壓力的變化。壓力監(jiān)測組件和筒體組件之間采用金屬卡套密封的可拆卸式連接。

2 密封性能要求及其檢測與監(jiān)測

核電站電氣貫穿件的機械密封性能要求為筒體內(nèi)部的干燥氮氣在溫度20℃下的泄漏率不超過10-3Pa.m3/s。[2]為保證其密封性能達到要求，在設備出廠驗收中的5項基準試驗中有兩項與密封性能有關，分別為氣壓強度試驗及氣體泄漏率試驗。設備現(xiàn)場安裝時有嚴格的質(zhì)量保證程序，安裝完成后進行充氣壓力試驗及整體密封性檢查以檢測其密封性能。在核電站運行期間，電氣貫穿件筒體內(nèi)部長期處于加壓狀態(tài)，內(nèi)部壓力需保持在250KPa.a±10%。每個貫穿件的壓力讀數(shù)至少每月記錄1次以監(jiān)測其密封性能。

2.1 密封性能檢測

2.1.1 充氣壓力試驗

設備現(xiàn)場安裝完成后，通過壓力組件的充氣嘴向筒體內(nèi)充入氮氣和氦氣（體積百分含量不低于20%）的混合氣體，壓力達到最大運行壓力400kPa的1.1倍即440kPa.a后關閉壓力組件上的閥門，保壓7天。采用嗅吸探頭加壓檢測技術對各連接處進行泄漏檢查，重點檢查區(qū)域為導體組件與端板密封處、壓力組件各密封連接處。若在保壓時間內(nèi)壓力下降不超過10kPa，同時壓力監(jiān)測組件各密封連接處對氦氣氣體泄漏率不超過10-8Pa.m3/s，則充氣壓力試驗合格。

2.1.2 整體密封性檢查

在充氣壓力試驗合格后對電氣貫穿件進行整體密封檢查，其整體對干燥氮氣最大氣體泄漏率應不超過10-3Pa.m3/s。通過壓力組件的充氣嘴向筒體內(nèi)充入400kPa、20℃的干燥氮氣，實際操作過程中，實際試驗的環(huán)境溫度往往與要求的試驗溫度（20℃）不同，需用以下公式對試驗壓力進行修正。

依據(jù)設計院提供的壓力-時間曲線（圖2）進行結(jié)果判定，若對應時間周期內(nèi)（換算為20℃條件下）的壓力值在曲線的上方，則滿足泄漏要求，若在曲線下方，則表明泄漏率超出可接受的范圍，應對壓力表以及其它所有相關的密封處進行密封性能檢測，泄漏點處理完畢后，再次進行整體密封性檢查。

2.2 密封性能監(jiān)測

在核電站正常運行期間，需定期（一般為1個月）記錄壓力監(jiān)測組件上的壓力表讀數(shù)用以分析、監(jiān)測電氣貫穿件的密封性能變化，需要特別說明的是讀數(shù)的變化可能是由于氣候條件的變化引起的，尤其對于四季溫差較大的地區(qū)，溫度的影響更不容忽視。電氣貫穿件筒體內(nèi)壓力的初始值以在20℃的條件下充入250KPa的干燥氮氣為基準，實際操作過程中需根據(jù)不同溫度條件下對應的壓力確定充入的實際壓力值。正常運行期間的密封性監(jiān)測驗收標準與整體密封性試驗的驗收標準一致，均為最大氣體泄漏率應不超過10-3Pa.m3/s。采用靜態(tài)壓降法測算泄漏率，計算公式如下：

2.3 監(jiān)測方法分析

結(jié)合核電實際工程現(xiàn)場，采用上述方法進行電氣貫穿件密封性監(jiān)測時，以下因素會直接影響泄漏率分析的精度，制約密封性能的判斷，帶來一定的安全隱患。

1）部分設備安裝位置較高，技術人員讀取壓力表讀數(shù)時無法平視表盤，造成讀數(shù)誤差；

2）壓力監(jiān)測組件壓力表精度很低，表盤每小格代表的壓力值達到20KPa，加大了估讀誤差；

3）沒有設計監(jiān)測筒體內(nèi)部氣體溫度的手段，只能結(jié)合設備周圍的環(huán)境溫度對筒體內(nèi)部氣壓進行大致修正；

4）監(jiān)測與分析過程中沒有結(jié)合安全殼內(nèi)壓力的循環(huán)變化，僅靠讀取壓力組件上壓力表的讀數(shù)進行分析的做法是不可靠的。圖3為國內(nèi)某核電機組正常運行期間3個月時間內(nèi)安全殼內(nèi)的壓力循環(huán)趨勢，可見安全殼內(nèi)壓力循環(huán)由緩慢的升壓過程和快速的降壓過程組成，每個循環(huán)的周期約為15天，其中殼內(nèi)維持負壓的時間為2-3天，殼內(nèi)壓力大于250KPa（貫穿件內(nèi)壓力）的時間為3-4天。假設某電氣貫穿件內(nèi)部端板密封處與外部端板及壓力組件密封處同時存在泄漏，可能出現(xiàn)當安全殼內(nèi)壓力大于筒體內(nèi)部壓力（250KPa）時，安全殼內(nèi)高壓氣體向貫穿件筒體內(nèi)部補充氣體，當安全殼內(nèi)部壓力小于筒體內(nèi)部壓力時，貫穿件筒體內(nèi)部氣體向環(huán)境中釋放的情況。當兩者達到平衡時，貫穿件筒體內(nèi)部壓力將維持不變。此時計算得出的泄漏率為零，明顯與實際情況不符。

3 結(jié)論

從上述對電氣貫穿件密封性檢測與監(jiān)測方法的介紹及實際應用分析，得出以下結(jié)論和優(yōu)化設想：

1）電氣貫穿件在設備出廠及現(xiàn)場安裝完成后經(jīng)歷了苛刻的密封性測試，其密封性能可以得到保證；

2）在機組運行過程中對電氣貫穿件密封性監(jiān)測時，壓力組件的設計與現(xiàn)場應用存在某種脫節(jié)，可根據(jù)實際應用情況在設計時進一步優(yōu)化，如在設計時增加壓力、溫度監(jiān)測組件，適時監(jiān)測筒體內(nèi)部溫度壓力的變化情況，建立計算模型與運行期間安全殼內(nèi)外部壓差相結(jié)合，利用計算機軟、硬件實現(xiàn)自動監(jiān)測貫穿件泄漏率的目的。

【參考文獻】

[1]盧小青.核電站電氣貫穿件專用壓力表組件[J].硅谷，2011，14：189.

[2]陸曙東，黃鈞鵬.GB13538-1992核電廠電氣貫穿件[S].北京：國家技術監(jiān)督局，1992.

[責任編輯：王楠]