鈉冷快堆中爆破片裝置結構設計研究

侯 斌 杜麗巖 牛志新

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中核戰略規劃研究總院，北京 100048）

1 研究內容

第四代核電技術的代表是鈉冷快堆核電站換熱介質鈉的缺點有兩點：其一，與水能發生猛烈反應，放出氫氣，一旦發生鈉水反應，設備內壓力會急速升高；其二，鈉與氧氣也會發生燃燒反應。 故對蒸汽發生器上所安裝的爆破片應具有如下特點：（1）對急速超壓動態響應性好；（2）爆破片密封性好，要徹底不漏；（3）爆破片泄放口徑大，爆破壓力準確，耐疲勞性好。

2 爆破片形式選擇

目前， 常用爆破片種類按形狀分為正拱形爆破片、反拱形爆破片、平板形爆破片；從受力特點分為拉伸破壞形爆破片和壓縮失穩破壞形爆破片。

從耐壓力疲勞上看，對于高溫拉應力破壞的正拱形爆破片，爆破片在高溫、高應力、長時間作用下，爆破片會發生高溫蠕變變形，爆破壓力會隨時間增加而逐漸減小，故正拱形爆破片不適用高溫、高壓操作條件。所以鈉冷快堆蒸汽發生器用爆破片應首選反拱形爆破片。

對于反拱形爆破片，根據破裂原因分為：外界附件致破型和自身破裂型。自身破裂型為反拱帶槽型爆破片，爆破片表面有減弱槽。

對于反拱十字槽型爆破片， 減弱槽沿徑向十字形。徑向減弱槽對爆破片損傷小，耐疲勞好。允許有較大操作壓力比，但槽破裂需要慣性力較大，所以爆破需要能量大，需要一定爆破氣腔。

對反拱帶刀爆破片與反拱十字槽爆破片比較，由于反拱帶刀爆破片膜片表面無槽，沒有損傷，所以帶刀爆破片的耐疲勞性和高操作壓力比應好于十字槽型爆破片，但相同壓力下，帶刀爆破片膜片較薄，耐損傷能力差，拱高也高于帶槽爆破片，爆破需要氣腔更大，割裂爆破片時，刀容易損傷變鈍，一旦變鈍下次再用就存在可能無法割破爆破片危險。

綜上，比較反拱帶刀及反拱十字槽型爆破片各方面的性能特點，當操作壓力比（爆破片操作壓力與爆破壓力之比）在80%以下，爆破氣腔需要較小時， 更適合選擇反拱十字槽型爆破片，故本研究建議鈉冷快堆蒸汽發生器上采用反拱十字槽型爆破片。

3 爆破片裝置的密封結構

由于鈉與氧氣會發生劇烈反應，所以鈉絕不允許與氧接觸，爆破片結構必須嚴格密封。 本爆破片裝置存在密封部位有如下5 個部位：（1）爆破片與夾持法蘭之間密封；（2）爆破片夾持法蘭與DN200 接管法蘭之間密封；（3）外罩DN300 接管法蘭間密封；（4）壓力傳感器處密封；（5）溫度傳感器處密封。

密封結構分為可拆型和不可拆型。 不可拆型有焊接型密封和密封膠密封；可拆型密封從密封原理上分為：強制性密封和自緊型密封，性能最優的是具有一定自緊功能的密封結構。

傳統可拆型的強制密封結構有： 平墊片密封結構、八角墊密封結構、橡膠O 形圈密封結構、卡扎里密封結構等； 傳統有一定自緊密封功能的密封結構有：空心金屬O 形圈、雙錐密封結構、C 形環密封、B 形環密封、伍德式密封等，能滿足高溫、壓力不高且具有自緊密封功能通常采用金屬O 形圈密封。

3.1 爆破片與夾持法蘭之間密封

對反拱十字槽型爆破片，爆破片與夾持器之間的邊界約束對產品性能存在影響，即爆破片與夾持器之間的約束程度影響爆破壓力、爆破片開裂狀態及爆破片與夾持器間密封性。如果夾持力不足，邊界約束弱，則不僅會導致爆破壓力降低，且爆破時爆破片夾持邊緣抽動，造成爆破片失穩翻轉慣性力減小，從而影響爆破片爆破開裂，另外夾持力也影響爆破片與夾持器間的密封效果。為了消除爆破片與夾持法蘭間邊界約束影響，滿足最高密封要求，爆破片與夾持法蘭間采用焊接結構，可徹底解決上述問題。 該密封結構已經過大量試驗驗證，密封可靠，可保證反拱十字槽型爆破片實現最佳性能。

3.2 爆破片夾持法蘭與DN200 接管法蘭間密封

為了保證爆破片裝置（與上法蘭焊接一體）與DN200接管法蘭之間密封可靠，同時保證爆破片裝置可更換，則該處不能采用焊接密封結構，對于開拆式密封，理論上采用自緊密封結構較好，目前滿足自緊密封結構，在高溫高壓上經常選用空心金屬O 形圈構。

3.2.1 空心金屬O 形圈結構特點

具有良好的回彈性，壓緊后上下密封面接觸面積小，密封比壓大，較小壓緊力即可實現較好密封效果，另外O 形圈內側與介質接觸表面加工有通氣孔，設備內壓力介質可進入金屬圈的空心腔內，設備內壓力越高O 空腔內壓力越高， 產生向上膨脹密封力越大，這就是自緊密封特點。近幾年空心金屬O 形圈在高溫高壓設備上及核電設備上經常應用。空心金屬O 形圈材料一般為304 或316 不銹鋼。

3.2.2 錐形環密封特點

近幾年在一些特殊的高溫高密封場合又出現了一種錐形環密封結構， 這是一種新型自緊密封結構，適用于高溫、壓力不高場合，具有“刀口”線密封及自緊密封特點，從密封原理上看，夾緊力和變形量較小就可達到密封要求。

密封原理是：法蘭壓緊后，鋒銳上下邊緣與密封結構的900 mm 處接觸，鋒銳邊緣有可能卡入接觸面內，當受內壓后，錐形環向外膨脹，使得接觸處更加緊密接觸，增大了密封比壓，所以在理論上這是一種非常優異的密封結構。

這種密封結構缺點是：加工精度要求高，密封環內徑與上密封面外徑應緊密無間隙， 應為過盈配合；如果為間隙配合，可能導致壓緊力不均勻，一般第一次安裝密封可能沒問題，但錐形環密封“刀口”已經將結構的密封面形成溝痕損傷，在第二次安裝時，如果無法與第一次的溝痕重合，則第二次安裝將無法實現有效密封。

由于錐形環在加工精度上與安裝位置上要求較高，安裝不好或加工精度不夠可能會損傷密封面，造成以后更換時出現密封問題，一旦密封面損傷，就無法實現高密封，需要對防護罩法蘭密封進行重新加工修復。

為了避免出現這種問題，本研究提出采用雙密封結構， 在錐形環外側增加一道金屬O 形圈密封結構，這道密封作為輔助，可以使用，也可以不用，當采用錐形環無法實現有效密封時，就增加一道金屬O 形圈密封。

3.3 溫度傳感器處密封

為了使溫度傳感器對爆破片爆破進行報警，則溫度傳感器必須不能放到保護管內，必須將溫度傳感器直接放入溫度場內，溫度傳感器徑向雙O 形圈密封可以實現高密封性。 試驗表明，對這種裸裝的溫度傳感器，對溫度感應速度，傳感器直徑對感應滯后性影響不大，為了保證傳感器有較好強度，建議傳感器直徑選擇3～4mm 左右。

溫度傳感器報警最大問題是：由于測量儀表需要定期更換校驗，溫度傳感器也需要定期更換，如何實現不停車更換溫度傳感器問題，本研究沒有好的解決方法，本研究計劃采用球閥密封，更換方法如下：

由于保護罩內為低壓，溫度傳感器采用彈性膠軟密封及壓緊螺母壓緊彈性膠， 實現傳感器軸向密封。更換時稍微松開壓緊螺栓， 使溫度傳感器能抽動，然后將傳感器緩慢抽出，并及時關閉球閥，更換新傳感器。將傳感器從原來孔中逐漸插入，當到達球閥處，打開球閥，進行向下插入，達到規定位置，然后擰緊壓緊螺栓實現密封。

4 結語

本文針對鈉冷快堆中的爆破片進行了選型，同時對爆破片裝置不同密封部位設計了不同的密封結構，總體滿足了鈉冷快堆爆破片裝置的使用要求，后續需要通過實驗等手段驗證設計的可靠性。