淺析核電站壓力容器密封環(huán)泄漏因素

杜文忠

摘要：目前核電壓力容器密封環(huán)泄露事故頻有發(fā)生，給我過(guò)核電核電事業(yè)的發(fā)展造成一定的影響。密封環(huán)是壓力容器的重要組成構(gòu)件，具有防止放射性冷卻劑外泄的功能，密封環(huán)壓縮率、截面直徑、壁厚、環(huán)經(jīng)是影響密封環(huán)密封性能的主要因素，稍微有偏差就會(huì)出現(xiàn)密封環(huán)泄露事故。通過(guò)對(duì)幾個(gè)影響因素分析，探討哪些臨界因素下會(huì)引起泄露事故，從而從源頭杜絕密封環(huán)泄露隱患的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：核電;壓力容器;密封環(huán)泄露

目前我國(guó)為了確保核電事業(yè)的安全有序的運(yùn)行，針對(duì)核電壓力容器頂蓋密封方面已經(jīng)做了很多的研究工作，但是隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展核電裝機(jī)容量也在不斷的增加，迫使設(shè)備的規(guī)格也在進(jìn)一加大。壓力容器密封性能取決于密封環(huán)的材料屬性、產(chǎn)品規(guī)格，但運(yùn)行期間也不排除人為因素的影響。針對(duì)頻發(fā)的核電密封環(huán)泄露事故，對(duì)影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析探討。

1.壓力容器概述

1.1壓力容器作用

壓力容器就是壓水堆的壓力殼，包容反應(yīng)堆堆芯燃料組件，固定、支承堆內(nèi)構(gòu)件，確保燃料組件按規(guī)定位置在堆芯內(nèi)支撐和定位;確保冷卻劑按規(guī)定流道暢通無(wú)阻，將熱量帶出反應(yīng)堆;作為一回路的一部分，壓力容器是冷卻劑與外界的壓力邊界。它需要承受堆芯核裂變強(qiáng)γ放射性、中子的輻照及冷卻劑的高溫、高壓載荷，還需要承受控制棒可能發(fā)生的撞擊和一回路管道傳遞的力;壓力容器的承壓密封可以避免放射物質(zhì)外逸，與堆內(nèi)構(gòu)件一起，作為生物屏蔽對(duì)工作人員起防護(hù)作用;利用壓力容器頂部和底部的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量裝置，控制反應(yīng)堆，監(jiān)測(cè)堆芯溫度、中子通量密度;壓力容器屬于在核電站壽期內(nèi)不更換的設(shè)備，在運(yùn)行中壓力容器被中子活化后具有強(qiáng)放射性，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行近距離檢查和維修，因此電站堆壓力容器使用壽命要求不少于40年。

1.2壓力容器結(jié)構(gòu)

壓力容器有頂蓋和筒體組成，為了確保安全運(yùn)行，防止放射性冷卻劑外泄，壓力容器頂蓋和筒體法蘭連接處設(shè)置有內(nèi)外兩道同心的密封環(huán)進(jìn)行密封，密封環(huán)由鎳基合金管制成。當(dāng)反應(yīng)堆在額定功率下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，內(nèi)密封環(huán)不允許泄漏;在啟動(dòng)和停堆時(shí)，內(nèi)密封環(huán)允許的最大泄漏率為20L/h。密封環(huán)的密封性直接關(guān)系壓力容器的安全運(yùn)行，從而影響整個(gè)很電站的安全運(yùn)行，因此密封環(huán)是整個(gè)壓力容器中的關(guān)鍵設(shè)備。

2常見(jiàn)壓力容器密封環(huán)泄露因素

2.1壓縮率

密封環(huán)的變形程度隨著壓縮率的增大而增大，不同壓縮率下密封面上的接觸應(yīng)力始終出現(xiàn)在接觸區(qū)兩側(cè);在密封環(huán)的壓縮率為20%時(shí)且距離接觸中心1.0mm的范圍內(nèi)的接觸應(yīng)力均為零，此時(shí)密封環(huán)節(jié)點(diǎn)與法蘭面脫離導(dǎo)致接觸中心發(fā)生塌陷，塌陷發(fā)生后密封環(huán)和法蘭的接觸面有一個(gè)增加到兩個(gè)。塌陷的發(fā)生必然會(huì)導(dǎo)致密封面接觸寬度的下降和永久變形的加劇，并導(dǎo)致密封環(huán)密封性能的下降。需要注意的是：壓縮率為18%時(shí)，隨著壓縮率的提高密封面接觸寬度逐漸增大;而壓縮率超過(guò)18%時(shí)，密封面接觸寬度會(huì)迅速下降并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。隨著壓縮率的提高，密封環(huán)的回彈量會(huì)逐漸增加，但是在壓縮率超過(guò)20%后回彈量會(huì)趨于平穩(wěn)，基于上述分析，密封環(huán)在壓縮率為12%-16%范圍內(nèi)密封面的寬度和接觸應(yīng)力最為適宜，密封性也是最好的。因此在密封環(huán)的安裝是要選用合適的壓縮率，避免密封環(huán)泄露隱患的存在。

2.2截面直徑

隨著密封環(huán)截面直徑的增大密封環(huán)的壓縮量和回彈量成單調(diào)上升和單調(diào)下降的文化規(guī)律;另外在相同壁厚的情況下，縮小密封環(huán)的截面直徑將會(huì)導(dǎo)致回彈量的不足而發(fā)生塌陷，出現(xiàn)密封泄露事故;在相同的壓縮量情況下，密封環(huán)的截面直徑減小線比壓逐步提高;但當(dāng)密封環(huán)截面直徑Wie9.5mm時(shí)，密封環(huán)的的壓縮量為1.28mm時(shí)已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重的塌陷，故密封環(huán)截面直徑為12.7mm時(shí)密封環(huán)的回彈量和線比壓最佳。

2.3壁厚

相同壓縮率下不同壁厚的密封環(huán)的密封效果也是不一樣的。密封環(huán)的接觸中心的接觸應(yīng)力隨著密封環(huán)壁厚的增大而不斷增大;當(dāng)密封環(huán)壁厚為1.0mm時(shí)，密封環(huán)發(fā)生塌陷，密封環(huán)壁厚為1.65mm時(shí)的接觸應(yīng)力接近壁厚為1.8mm時(shí)的接觸應(yīng)力值;另外雖然密封環(huán)的壁厚增加在一定程度上可以提高密封環(huán)的思維線比壓，但是隨著密封環(huán)壁厚的增加密封環(huán)的回彈量會(huì)隨之降低，故當(dāng)密封環(huán)的壁厚為1.65-1.65mm時(shí)密封環(huán)的密封性最好。

2.4環(huán)徑

密封環(huán)的的尺寸隨著核電機(jī)組單機(jī)容量的增加而增加。隨著密封環(huán)外徑的的增加，密封面的接觸應(yīng)力成快速下降后區(qū)域穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。當(dāng)密封環(huán)的外徑為350mm時(shí)密封面的接觸應(yīng)力與密封環(huán)外徑為4.002m時(shí)接近，對(duì)密封環(huán)的回彈量影響不大，因此工程盡量采用外徑大于350mm密封環(huán)，可以有效避免泄露事故發(fā)生。

2.5人為因素

細(xì)數(shù)核電歷史泄露事件，福清核電大修卸料，堆本體檢修人員在拆除嚴(yán)厲對(duì)壓力容器密封環(huán)內(nèi)環(huán)的過(guò)程中因與密封槽配合過(guò)緊，無(wú)法自重脫出，工作人員使用一字螺絲刀撬出密封環(huán)，撬出過(guò)程中劃傷了密封環(huán)槽密封面;大亞灣D104次大修中，由于部分工作人員在沒(méi)有完全上緊密封環(huán)鎖片并檢查就放手，導(dǎo)致密封環(huán)脫落并損毀;福清201大修卸料后低水位期間，執(zhí)行長(zhǎng)導(dǎo)向柱切換操作時(shí)，由于起重人員松輔助橋剎車裝置操作不當(dāng)，將剎車手柄旋出并掉落，造成壓力容器密封環(huán)磕傷。以上種種泄露事故表明，除了密封環(huán)自身的材料、規(guī)格外，人為因素也是引起密封環(huán)泄露的一個(gè)關(guān)鍵因素，需要時(shí)時(shí)注意。

4.結(jié)語(yǔ)

核電運(yùn)行期間發(fā)生密封環(huán)泄露是非常嚴(yán)重的問(wèn)題，嚴(yán)重到影響整個(gè)核電機(jī)組的正常運(yùn)行，本文通過(guò)細(xì)數(shù)核電泄露大事故，并總結(jié)形成經(jīng)驗(yàn)反饋，對(duì)有可能影響密封環(huán)泄露發(fā)生因素進(jìn)行分析，總結(jié)得出影響密封環(huán)產(chǎn)生泄露的因素有直徑、壁厚、壓縮量、截面直徑和人為因素。希望對(duì)我國(guó)核電機(jī)組安全的運(yùn)行起到積極促進(jìn)的作用。