M310核電機組堆腔水池測量小室蓋板泄漏原因分析1)

(中核運行管理有限公司維修支持處，浙江 海鹽 314300)

1 RPN蓋板概述

在M310壓水堆核電站機組的反應堆堆腔分布著有8個容納反應堆核測量系統即RPN系統的探測器相關設備儀器測量室，其構成核測量系統源量程、中間量程和功率量程的測量通道，其分布情況如圖1所示。

測量室中布置有堆外測量系統探測器等組件，在小車貯藏位置正上方為檢修通道，通道頂部安裝有生物屏蔽體和水密蓋即測量小室蓋板(簡稱“RPN蓋板”)，其結構如圖2所示。

在機組運行狀態下，為保證測量小室內的通風流量以達到冷卻核測量設備的作用，需將RPN蓋板進行打開并固定。當機組裝換料大修期間，由于換料水池需充滿硼酸水作為裝換料操作的屏蔽層，檢修人員需將RPN蓋板關閉嚴實，并保證測量小室的密封性能，防止硼酸水進入測量室，避免因其發生泄漏導致的硼酸水滴落在核測量儀表設備及其他組件上而造成的電氣短路、絕緣失效或金屬腐蝕等事件。

圖1 核測量小室分布

圖2 核測量小室結構

若RPN蓋板在換料水池充水期間發生泄漏，不光對測量小室中的核測量系統設備產生較大危害，同時會導致機組大修狀態的回退，直接影響大修主線時間。在方家山機組QF-OT101大修開蓋作業期間，因RPN蓋板泄漏導致大修主線的開蓋時間延長了6 h，大量工作返工：回裝反應堆假頂蓋、換料水池去污、RPN蓋板的復裝、核測量設備檢查等，即使在設備未被損壞的情況下，也直接造成電廠經濟損失超過250萬元，大量檢修人員承擔了不必要的輻照劑量。經進一步調研發現，國內其他核電站如：秦山二期核電站、福清核電站等同樣發生過RPN蓋板泄漏的事件。

2 RPN蓋板密封結構及泄漏分析

2.1 RPN蓋板密封結構

RPN蓋板屬于結構較為簡單的機械式靜壓密封蓋板，蓋板由不銹鋼圓板、不銹鋼圍板、定位手桿、層壓彈簧、手桿固定塊和緊固件等部件組成。所有機械部件均焊接或螺紋連安裝在不銹鋼圍板上，RPN蓋板通過不銹鋼圍板末端的鉸鏈機構打開或關閉，通過定位手桿鎖定在打開狀態。不銹鋼圍板側面加工有兩道凹槽，用于安裝內、外橡膠O形圈，當RPN蓋板關閉時，通過安裝鉸鏈的緊固螺栓，將圍板上的O形圈整體壓在蓋板底座密封面上，從而形成兩道防水密封。

2.2 RPN蓋板泄露原因分析

2.2.1 RPN蓋板設備本身缺陷原因分析

維修人員根據RPN蓋板的結構特點進行現場泄漏情況調查，對RPN蓋板泄漏的原因進行了分析，推斷結果如表1所示。

表1 RPN蓋板泄露原因分析

結論：RPN蓋板及底座密封面本身均不存嚴重缺陷，不是發生泄露的根本原因。

2.2.2 RPN蓋板O形密封圈備件原因分析

維修人員針對O形圈進行調查分析，若O形密封圈備件在生產、運輸、領用階段造成了難以發現的缺陷或安裝過程無意造成備件損壞，但現場拆除原密封圈后，檢查密封圈無肉眼可見的明顯缺陷。另一方面為O形圈由于工藝原因造成尺寸偏差，間接造成密封圈壓縮率不足，引起泄漏。所以針對同一批次O形密封圈截面進行尺寸測量。

查閱國家相關設計標準中關于密封槽及密封圈的說明：根據密封槽的尺寸，密封圈選擇截面尺寸宜控制在(8.6±0.16)mm[1]。另國家密封件設計手冊中記載：平面靜密封密封圈壓縮率宜控制在15%～30%，因此，壓縮率為w=(d-h)/d×100%。式中，d—密封圈截面尺寸；h—密封槽深度(含密封間隙)。

圖3 RPN蓋板圖紙尺寸

此RPN蓋板密封圈截面尺寸為φ(8.0±0.2)mm，dmax=8.2 mm，dmin=7.8 mm密封圈理論極限壓縮率計算如下：

Wmin=(7.8-7.1)/7.8×100%=8.97%

Wmax=(8.2-6.1)/8.2×100%=25.61%

計算結果：該設計O形密封圈尺寸在RPN蓋板密封槽內的壓縮率不滿足設計要求15%～30%。再者根據現場測量密封槽深度值及對應O形密封圈尺寸帶入壓縮率計算公式。

得出結論：1號、4號、5號密封槽內的密封圈壓縮率均小于15%的設計要求。

由此可見，與設計最佳壓縮率相比，實際RPN蓋板的密封圈壓縮率存在一定差異。在RPN蓋板在關閉時，僅通過非均布的兩顆螺栓進行緊固，相比常規法蘭連接，O形圈受到的壓力也存在一定不均勻的狀況，盡管RPN蓋板的錐形結構本身具備一定的自密封功能，理論上在換料水池水位由+10.5 m充滿至+19.5 m高度的過程中，密封性能會有所提高。但進一步考慮現場存在O形圈和密封槽的極限偏差、加工誤差，O形圈截面均勻程度、金屬腐蝕缺陷，安裝人員技能偏差等因素，現使用O形圈在換料水池充水初段時間內對于RPN蓋板不具備最佳的密封性能。

結論：O形密封圈在RPN蓋板的密封槽內沒有達到最佳壓縮率是此次RPN蓋板泄漏的主要原因。

3 RPN蓋板密封可靠性改進理論分析

由上述可得知，為降低RPN蓋板泄漏的概率，減少核電站關于此類事件的經濟損失，需采取一系列措施保障RPN蓋板的密封性能。從人、機、料、法、環五大因素入手就提高RPN蓋板密封可靠性進行了研究及改進，其中重點改進了“備件”“工藝和結構”兩大部分。

3.1 O形密封圈備件改進

3.1.1 O形密封圈材料改進

研究針對目前常用的4種密封橡膠進行篩選，并簡要說明它們的優缺點及特性[2]，如表2所示。

表2 不同材質的密封橡膠特點

分析對比以上四種O形圈材料的綜合性能，要求新設計O形圈材料具有一定的機械強度；因其使用環境在硼酸水中，且具有一定輻射劑量，要求新O形密封圈具有性能穩定。綜上所述，選擇三元乙丙橡膠(EPDM)為最佳。

3.1.2 壓縮率對O形密封圈尺寸改進

根據上述結構描述及密封圈壓縮率標準，結合Ansys對O形密封圈在不同壓縮率在接觸壓力分布進行分析，結果表明提高壓縮率對密封圈密封性能有顯著影響[3]。設計人員在重新設計了密封圈尺寸，φ8.5 mm密封圈相對于原φ8.0 mm密封圈，其理論壓縮率更接近于靜密封壓縮率的15%～30%，也更便于O形圈的安裝。

3.2 RPN蓋板密封槽結構分析

當密封圈在密封槽內的充填率設計值目標控制在75%為最佳，此時密封圈的充填率對密封可靠性有著顯著提升[4]。 充填率為

η=(d2π/4)/(G×h)×100%

式中：d—密封圈截面尺寸；G—密封槽寬度；h—密封槽深度(含密封間隙)，如圖3所示。此RPN蓋板密封圈截面新設計尺寸為φ(8.5±0.2) mm，dmax=8.7 mm，dmin=8.3 mm，G=(11.20±0.2) mm，h=5.6(+0.2)/(-0.1) mm，ηmax=(8.72π/4)/(6.1×11)×100%=88.6%,ηmin=(8.52π/4)/(7.1×11.4)×100%=70.1%。

比較使用原有密封圈，新密封圈尺寸φ8.5±0.2 mm在RPN蓋板密封槽內的充填率更為接近75%。所以在已更換O形圈尺寸的前提下，不對RPN蓋板密封槽結構尺寸做出調整。

3.3 工藝和結構改進

改進RPN蓋板O形密封圈的尺寸，提高最小壓縮率數值，從設計角度的確提高了其密封性能。但增大了O形圈直徑的同時也增加了安裝難度，且依靠僅有兩顆非均布的緊固螺栓，其傳遞給O形圈均勻載荷的能力是有限的，對于現場安裝質量帶來了一定不確定因素。同時，由于目前缺乏有效的工藝手段驗證當前RPN蓋板的安裝狀態，使得檢修人員無法對安裝后的O形密封圈的壓縮狀態是否符合密封要求進行直觀判斷。

開發人員在吸取現有的RPN蓋板試驗工藝的基礎上擴大了研究范圍，進一步參照了核電站相關設備的嚴密性試驗工藝及經驗。經對RPN蓋板改進項目的開發難度、變更難度、施工難度、成本限制和工期限制等多方面條件進行了評估，并確定了明確的改進方向：

1)開發可靠、成熟、安全的RPN蓋板密封可靠性試驗工藝及相關裝置；

2)在上一條的基礎上，僅對RPN蓋板結構進行小幅度修改，且不改變主體結構；

3)不對RPN蓋板底座進行任何改造，因此不改變現有RPN蓋板與底座及專用工具的接口形式；

4)RPN蓋板的檢驗工藝在現場應用時，應具備一定效率，且檢驗快捷，操作方便，不會生成新的放射性廢物。

4 RPN蓋板密封可靠性實際改進

如上所述確定的改進思路后，設計人員在現RPN蓋板結構基礎上進行了改進設計，新RPN蓋板具備單獨的打壓接口，通過外接試驗裝置即可對RPN蓋板兩道密封圈同時進行嚴密性試驗，具體結構特點及試驗狀況如下。

4.1 新RPN蓋板結構設計

新RPN蓋板相對于原RPN蓋板在外觀、主體結構、接口、密封槽尺寸等方面均完全一致，僅新增了打壓流道、并調整了下部密封槽的位置，如圖4所示。

圖4 新RPN蓋板示意圖

由于原RPN蓋板兩道密封槽之間的間隙只有4.8 mm，考慮異物堵塞風險，設計人員將打壓流道設計為在φ5 mm，因此新RPN蓋板需對內外密封槽的位置進行調整。通過測量RPN蓋板上下密封槽與水池上下表面的距離，發現尺寸因水池底部的焊接變形及加工誤差等因素存在較大差異，以上密封槽為基準，增大了兩道槽體的間距。

新設計的密封槽位置需要考慮上述密封面尺寸的差異性，為保證密封性的可靠，綜合現場數據測量，設計人員將內密封槽中心線往下平移3.2 mm，將兩密封槽之間的實體尺寸增加至8 mm，便于φ5 mm的打壓流道的鉆孔加工。

4.2 O形密封圈的設計

因新RPN蓋板內密封槽位置進行了調整，內密封圈的尺寸由原來的φ767 mm×φ8 mm調整至φ765 mm×φ8.5 mm，并將原材質由丁腈橡膠更換成三元乙丙橡膠。

4.3 打壓裝置設計

打壓裝置使用硼酸水作為試驗介質，打壓接頭采取一端為快速接頭和另一端管螺紋的連接方式。螺紋接頭部分與RPN蓋板打壓流道螺紋連接，快速接頭端可直接與管線上預制的快速接頭連接，此結構形式能夠快速將打壓裝置配對至RPN蓋板本體。試驗裝置能滿足對8只RPN蓋板同時進行密封性試驗，各打壓回路單獨配備壓力儀表檢驗密封性能。待打壓結束，利用內六角堵頭對打壓流道進行封堵即可，此堵頭帶密封墊，且蓋板上接口加工成沉孔形式，保證堵頭安裝后的換料水池鋼覆面平整性。

4.4 RPN蓋板安裝工藝流程改進

RPN蓋板樣件、打壓裝置樣件和試驗臺架在制造完成后，維修人員按設計要求，對RPN各關鍵尺寸進行了詳細的測繪復核，各項尺寸滿足設計要求。同時，維修人員對RPN蓋板緊固螺栓的力矩進行了標定，安裝機械設計手冊M12×1.75 mm粗牙螺栓，按螺栓等級6.9劃分，螺栓力矩控制在65 N·m。待RPN蓋板與試驗臺架安裝完成后，工作人員現場按設計文件要求模擬了RPN蓋板樣件的密封性試驗。試驗中，此打壓裝置與RPN管線進行連接并升壓至試驗壓力僅耗時約5 min，經30 min的保壓后驗證了RPN蓋板樣件無泄漏，符合設計要求，滿足現場工況。

5 結束語

RPN蓋板密封可靠性的改進及其試驗裝置的開發，將有效的降低因其泄漏而導致大修主線退模式事件的發生概率，避免了核電站的經濟損失，減少維修人員所承擔的不必要劑量，不僅保障了測量室核測系統設備的安全，提高了維修人員的工作效率，而且增加機組運行的安全性、穩定性。此RPN蓋板密封裝的設計是秦山維修技術力量的體現，在公司現有的條件下最安全、最高效的速度圓滿完成了該項工作。為后續大修RPN蓋板的安裝提供了技術保障，為大修主線時間的控制提供有力的保證，為核電安全穩定運行打下堅實的基礎。