蒸汽發生器傳熱管機械堵頭的安裝及拆除

程 檀

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

蒸汽發生器（Steam Generator，SG）作為核電廠一回路、二回路的壓力邊界，是一回路放射性冷卻劑和二回路非放給水熱交換的核心部件，也是二回路不受污染的放射性防護屏障。蒸汽發生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，而其壁厚一般僅為1.0～1.5 mm。在運行過程中，蒸汽發生器傳熱管處在高溫、高壓、高輻射的惡劣環境中，一、二次側較大的溫差和壓差所產生的應力、振動、腐蝕、傳熱管與管板連接部位的集中應力、外部異物撞擊等各種不利因素會導致傳熱管降質甚至破損。

國內外的運行經驗表明，傳熱管破損的問題是不能完全杜絕的。因此，在定期對傳熱管的完整性進行檢查的基礎上，有必要對已破損或者有缺陷的傳熱管進行快速而可靠的堵管操作，使其退出現役，從而保證蒸汽發生器安全、可靠地運行。

考慮到經濟性和易實施性，目前對待傳熱管破損問題多半數采用堵頭可拆除的機械堵管方式。這意味著必要時可將堵頭拆取出來，然后或是襯管、或是對該傳熱管重做渦流檢查，重新判斷缺陷程度和缺陷發展速度。對某些典型缺陷的傳熱管，則可將其取出，用于評定。

1 傳熱管機械堵頭的安裝

作為蒸汽發生器傳熱管缺陷維修的現行主流技術手段，機械堵管技術路線主要有兩種——機械輥脹式堵管和機械拉拔式堵管，這兩種堵管技術均經過了嚴格的考核試驗和驗證，滿足傳熱管堵管的要求。相應地，使用的堵頭分為機械輥脹式堵頭（Mechanical Rolled Plug）和機械拉拔式堵頭（Mechanical Ribbed Plug）。

1.1 機械輥脹式堵管技術

機械輥脹式堵頭是一種一端開口、一端封閉的圓柱形中空結構，堵頭外殼的圓柱面上有一段等離子噴涂層（圖1）。該涂層位于堵頭輥脹區域的中部，有良好的抗腐蝕性能，可以保證堵頭經輥脹擴張后與傳熱管內壁緊密接觸，阻隔泄漏。

圖1 機械輥脹式堵頭

（1）機械輥脹式堵管設備用于安裝機械輥脹式堵頭，具有傳熱管清潔、傳熱管定徑、堵頭輥脹等功能。其主要功能模塊有4個：①輥脹裝置，堵頭安裝的終端執行機構，可分別安裝清潔刷、定徑工具頭、輥脹工具頭進行傳熱管清潔、傳熱管定徑、堵頭輥脹操作；②力矩標定裝置，用于校準輥脹裝置的輸出力矩；③控制箱，用于控制輥脹裝置和力矩標定裝置；④控制工作站，用于控制和記錄堵管實施過程。

（2）機械輥脹式堵管技術采用滾壓硬化的方法擴脹機械輥脹式堵頭，將其安裝在傳熱管內部。安裝步驟主要有3 個：①傳熱管清潔，清除待堵傳熱管管口內表面的雜質；②傳熱管定徑，對待堵傳熱管管口進行整形，使其滿足堵頭安裝的尺寸和形位公差要求；③堵頭輥脹，使輥脹堵頭與傳熱管內壁貼合，形成密封（圖2）。

圖2 機械輥脹式堵頭的安裝

1.2 機械拉拔式堵管技術

機械拉拔式堵頭是一種由兩部分組成、一端開口一端封閉的圓柱形中空結構：堵頭外殼上有多道密封環或肋條，這是為了與傳熱管內壁貼合，形成多道密封，阻隔泄漏；堵頭內有1 個高強度的倒錐形膨脹塊，用于徑向擴張堵頭外殼，保持密封環或肋條與傳熱管內壁的緊密接觸（圖3）。

（1）機械拉拔式堵管設備用于安裝機械拉拔式堵頭，具備拉拔芯軸旋轉、堵頭液壓拉伸等功能，其主要功能模塊也有4 個：①堵管工具頭，是堵頭安裝的終端執行機構，可與堵頭連接并通過液壓拉伸膨脹塊進行堵管操作；②高壓泵，用于提供堵頭液壓拉伸所需的高壓油；③控制箱，用于控制堵管工具頭和高壓泵；④控制工作站，用于控制和記錄堵管實施過程（這與機械輥脹式堵管類似）。

（2）機械拉拔式堵管技術采用移動膨脹塊的方法擴脹機械拉拔式堵頭，將其安裝在傳熱管內部。安裝步驟主要有4 個：①芯軸旋入，拉拔芯軸正轉旋入堵頭，使其與膨脹塊嚙合；②堵頭插入，將堵頭插入待堵傳熱管內；③堵頭拉拔，拉拔堵頭使其與傳熱管內壁貼合，形成密封；④芯軸旋出，拉拔芯軸反轉旋出堵頭。

圖3 機械拉拔式堵頭

2 傳熱管機械堵頭的拆除

在一些特定情況下，需要拆除已安裝的機械堵頭，如：堵頭安裝不滿足驗收準則，堵頭出現泄漏等堵頭失效情況，已堵傳熱管需要實施取管、襯管、穩定支架安裝等進一步維修措施的情況。

2.1 機械輥脹式堵頭的拆除

機械輥脹式堵頭采用熱縮的方式進行拆除：先用TIG 焊的方式對堵頭內壁進行加熱，然后等待其自然冷卻，冷卻過程中堵頭產生徑向和軸向收縮力并釋放其與傳熱管貼合的應力，使其直徑變小并與傳熱管剝離。拆除步驟：①堵頭熱縮，使用TIG 焊在堵頭內壁移動形成加熱軌跡，并使其自然冷卻形成熱縮；②堵頭拉拔，使用膨脹工具抓持熱縮后的堵頭內壁，并通過液壓拉拔的方式取出堵頭。

機械輥脹式堵頭拆除后，已堵傳熱管將恢復堵管前狀態。因此，在后續經過檢查并評估安全的前提下，傳熱管可以繼續投用。

2.2 機械拉拔式堵頭的拆除

機械拉拔式堵頭采用機械加工的方式進行拆除。在不損傷傳熱管的前提下，直接使用專用的成型銑刀對堵頭進行銑削，拆除堵頭。由于在安裝過程中，堵頭外壁的密封或肋條會在傳熱管內壁形成壓痕，因此機械拉拔式堵頭拆除后傳熱管無法恢復堵管前狀態，必須重新安裝機械拉拔式堵頭或焊接堵頭進行封堵。

3 傳熱管機械堵頭安裝及拆除技術的應用

近年來，我國在運核電廠中CNP600、M310、AP1000 等堆型的蒸汽發生器均已出現傳熱管堵管需求，并實施了機械拉拔式堵頭或機械輥脹式堵頭的安裝。但國內目前尚未應用機械堵頭拆除技術。

圖4 機械輥脹式堵頭的拆除

3.1 安裝技術的應用

在現場實施過程中，無論是機械拉拔式堵管還是機械輥脹式堵管，單個堵頭的安裝時間不超過5 min。與焊接堵管比較，機械堵管技術有明顯的優勢：工序少、操作簡單方便、人員在高劑量區工作時間短、堵管質量容易保證、堵管后不需要進行復驗、機械堵頭可以拆卸等，因此在核電廠得到廣泛應用。

2011 年，國內某機組役前階段因傳熱管過脹原因出現堵管需求，使用自動機械臂搭載堵管工具的方式，對2 根過脹的傳熱管實施了機械拉拔式堵管，成功安裝了4 個機械拉拔式堵頭。這是機械拉拔式堵管技術在國內核電廠的首次成功應用，也是國內首次在立式蒸汽發生器上實施自動堵管。

圖5 某機組役前堵管實施

3.2 拆除技術的應用

2001 年，美國三里島核電站1 號機組和奧科尼核電站1 號機組在蒸汽發生器傳熱管渦流檢查過程中，在已堵傳熱管的鄰近管子上均發現了磨痕顯示，因此需要對已安裝的堵頭進行拆除，并對相關傳熱管進行重新檢查和評估。這是一起典型的非堵頭失效原因拆除機械堵頭的實例。

除了因已堵傳熱管需要維修而拆除堵頭的情況外，在機械堵管技術的早期應用階段，也出現過因堵頭失效而拆除堵頭的事情。

1989 年，在弗吉尼亞州北安娜核電站1 號機組，1 個Alloy600TT 材料的機械堵頭出現失效情況，堵頭的頂部因腐蝕原因斷裂、脫離，并在一回路壓力作用下沿傳熱管向上運動、刺穿了傳熱管的U 形彎管段，引發了一回路冷卻劑泄漏導致的計劃外強制停堆。該事件促成了針對已經安裝的同類型堵頭的一系列檢查、評估，并對存在失效風險的堵頭進行了拆除。該事件之后，機械堵頭開始采用耐腐蝕性能更高的Alloy690 合金和Alloy800 合金。

在如下情況下，可以將機械堵管作為一種臨時性維修措施并在后期進行堵頭拆除：①重新評估渦流檢驗結果，表明傳熱管的破損小于原有的允許標準；②重新分析并降低了堵管準則（要求堵管的傳熱管壁厚減薄百分比）；③在具體維修措施最終確定前的預防性堵管；④出現大量堵管需求時，先實施機械堵管，后期再分批拆除并使用襯管替代，以便減少停堆時間、恢復蒸汽發生器功率。

4 結語

隨著我國核電站運行時間的增加和公眾對核安全要求的不斷提高，維護蒸汽發生器的安全、穩定運行和降低現場工作人員輻照劑量水平變得尤為重要。機械堵管技術的使用不僅有效減少了缺陷傳熱管的維修時間，并且大大降低了現場操作人員的輻照劑量。

國內目前已經通過技術引進結合自主研發的方式，具備了機械輥脹式堵管和機械拉拔式堵管的技術能力，并在現場實施過程中積累了較為豐富的實踐經驗。但是，在機械堵頭的拆除方面尚未開展相關的技術研究，也沒有相應的技術儲備。作為機械堵管的糾正措施以及傳熱管后續維修的先決手段，機械堵頭的拆除技術還需要進一步研究和掌握。