HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修技術(shù)研究

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(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223;2.華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成 264312)

HTR-PM控制棒系統(tǒng)是高溫氣冷堆核電站反應(yīng)性調(diào)節(jié)和控制的重要核安全設(shè)備，具有控制棒運(yùn)行行程長、吸收體質(zhì)量重、采用鏈條驅(qū)動(dòng)等與壓水堆控制棒顯著不同的特點(diǎn)。一方面控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工況嚴(yán)苛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作頻繁，發(fā)生故障的概率較大；另一方面控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分電氣元器件的設(shè)計(jì)壽命也僅十年，如步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和棒位指示器等，需進(jìn)行定期更換[1-2]。為保證HTR-PM正常有序的運(yùn)行，有必要對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期的維修維護(hù)電氣元器件的更換。目前針對(duì)高溫氣冷堆維修技術(shù)的研究各國均在進(jìn)行，但還沒有相對(duì)成熟的技術(shù)，本文針對(duì)HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出一種維修技術(shù)。

1 HTP-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

HTR-PM共有24套控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每套控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過4個(gè)M56的雙頭螺柱連接在壓力容器頂蓋上。受頂蓋空間限制，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分外置式和直通式，并以2套外置式和2套內(nèi)置式為一組，外置式和直通式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)交叉分布在壓力容器頂蓋上。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過環(huán)鏈與控制棒連接，其中控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與環(huán)鏈之間通過快速接頭連接。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過收放環(huán)鏈實(shí)現(xiàn)控制棒在孔道內(nèi)上下移動(dòng)或移動(dòng)保持在指定的位置，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟停、功率調(diào)節(jié)、功率補(bǔ)償和停堆[3]。

圖1 HTR-PM控制棒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of HTR-PM control rod system

1.2 控制棒系統(tǒng)維修方案

受高溫氣冷堆固有特性和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的限制，HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修過程中存在以下難點(diǎn)：

1)維修過程中需保持一回路氣氛。HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在反應(yīng)堆壓力容器上方，與反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)共同構(gòu)成反應(yīng)堆的壓力邊界，保證堆芯氣氛與外界的隔離，防止放射性物質(zhì)外泄。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修過程中，若直接拆除將會(huì)導(dǎo)致一回路的氦氣氣氛被破壞，內(nèi)部放射性物質(zhì)外泄造成人員、設(shè)備和廠房環(huán)境沾污。

2)維修過程中氣氛隔離密封面難建立。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力容器頂蓋體積龐大，氣氛隔離過程中需在現(xiàn)有主設(shè)備的基礎(chǔ)上以合理基準(zhǔn)構(gòu)建密封面。

3)維修過程中有較高的放射性風(fēng)險(xiǎn)。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于反應(yīng)堆艙室內(nèi)，控制棒驅(qū)動(dòng)維修需方便快捷，減少施工人員接受的放射性劑量。

針對(duì)上述難點(diǎn)，為了減少施工人員在線操作接受的放射性劑量，同時(shí)保持一回路氣氛，最方便有效的維修方式是通過氣氛隔離的方法，將控制棒提升至壓力容器頂蓋管口，快速分離環(huán)鏈與控制棒之間的連接，再將控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至維修廠房進(jìn)行離線維修。

2 現(xiàn)有高溫氣冷堆維修工藝

針對(duì)高溫氣冷堆的維修，清華大學(xué)針對(duì)HTR-10 MW主氦風(fēng)機(jī)維修提出了一種維修工藝，具體如下[4]：

1)用第一隔離膜將主氦風(fēng)機(jī)壓力殼和蒸汽發(fā)生器壓力殼圍住，并密封第一隔離膜，如圖2所示；

圖2 HTR-10 主氦風(fēng)機(jī)維修方案示意圖Fig.2 Schematic of maintenance of helium circulator in HTR-10

2)分離第一隔離膜，將主氦風(fēng)機(jī)與蒸汽發(fā)生器分離，且使第一隔離膜和蒸汽發(fā)生器壓力殼形成一密封的空間，將主氦風(fēng)機(jī)移至維修位；

3)將一氣囊放置在蒸汽發(fā)生器壓力殼法蘭開口處的第一隔離膜上，氣囊將蒸汽發(fā)生器法蘭開口密封；

4)用第二隔離膜將主氦風(fēng)機(jī)壓力殼和蒸汽發(fā)生器壓力殼圍住，密封第二隔離膜；卸下氣囊和第一隔離膜，回裝所述氦氣循環(huán)風(fēng)機(jī)。

該維修工藝作為國內(nèi)首次引入氣氛隔離措施的高溫氣冷堆維修工藝，于2012年在HTR-10 MW機(jī)組實(shí)施。但該維修工藝貼膜工藝復(fù)雜，因隔離膜尺寸過大操作困難，存在隔離膜破損后會(huì)造成氦氣泄漏和放射性粉塵釋放的風(fēng)險(xiǎn)。

3 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修方案

針對(duì)HTR-PM的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有高溫氣冷堆維修工藝的特點(diǎn)，本文提出一種剛性連接的HTR-PM控制棒系統(tǒng)維修工藝和維修設(shè)備。通過類似手套箱操作的方式，施工人員在氣氛隔離裝置外在線依次對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與頂蓋法蘭面、控制棒與環(huán)鏈之間進(jìn)行分離，并將分離后的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至一回路環(huán)境以外，進(jìn)行維修和更換。

3.1 維修設(shè)備

該HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修設(shè)備具體包括支撐部件、氣氛隔離主艙室、隔離門組件、轉(zhuǎn)運(yùn)艙、氣氛控制系統(tǒng)、環(huán)鏈提升機(jī)構(gòu)和控制棒固定裝置等組成，整體布置如圖3所示。各組成部分的主要功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖3 HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修設(shè)備布置示意圖Fig.3 Arrangement of maintenance equipment for the HTR-PM control rod drive mechanism

1)支撐部件是由型鋼拼裝的框架結(jié)構(gòu)，將整個(gè)維修設(shè)備支撐在壓力容器頂蓋上，并可以將主艙室調(diào)平。支撐部件共設(shè)有6個(gè)支撐腿，其中3個(gè)支撐在頂蓋主法蘭上端面，3個(gè)支撐在頂蓋封頭上。

2)氣氛隔離主艙室由殼體、支撐骨架、密封板組件、手套和觀察窗等組成，其構(gòu)建了密封艙室，為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆卸提供了密封環(huán)境。氣氛隔離主艙室通過密封墊與頂蓋控制棒管嘴上端面和外側(cè)圓弧面實(shí)現(xiàn)密封。

3)隔離門組件由殼體、支撐骨架、自動(dòng)門組件等組成，隔離門組件用于遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉主艙室，以便控制棒驅(qū)動(dòng)組件轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)、出氣氛隔離主艙室。隔離門組件通過卡扣的形式快速固定在主艙室上方。

4)轉(zhuǎn)運(yùn)艙由殼體、支撐骨架、電動(dòng)葫蘆、手套和觀察窗等組成，其中電動(dòng)葫蘆用于提升控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)運(yùn)艙一方面為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝入和拆出提供一個(gè)過渡空間，即將轉(zhuǎn)運(yùn)艙內(nèi)的氣氛置換為氦氣環(huán)境再接入主艙室；另一方面作為將拆卸后的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至維修廠房的容器。轉(zhuǎn)運(yùn)艙通過卡扣的形式快速固定在隔離門組件上方。

5)氣氛控制系統(tǒng)包括置換模塊和凈化模塊，置換模塊用于將隔離艙室的氣體初步置換為一回路氣體或空氣；凈化模塊通過內(nèi)部循環(huán)的方式凈化維修艙室內(nèi)的氣體，過濾掉氣氛中混合的顆粒物、水和氧。氣氛控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 氣氛控制系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of atmosphere control system

6)環(huán)鏈提升機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈輪和導(dǎo)軌等組成，用于在相鄰直通式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不拆卸的前提下外置式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅能提升200 mm的空間內(nèi)，對(duì)約11 m長的環(huán)鏈進(jìn)行提升，使控制棒提升至壓力容器頂蓋；環(huán)鏈提升機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)軌安裝在氣氛隔離主艙室的密封板組件上。

7)環(huán)鏈固定裝置用于在沒有環(huán)鏈連接情況下將控制棒臨時(shí)固定在壓力容器頂蓋上。

3.2 維修工藝

針對(duì)上述維修設(shè)備，HTR-PM具體維修工藝流程如下：

圖5 HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修工藝流程Fig.5 Maintenance process of HTR-PM control rod drive mechanism

3.3 試驗(yàn)

目前本方案已經(jīng)通過了相關(guān)專家的技術(shù)評(píng)審，完成了加工制造，并開展了以下試驗(yàn)：

1)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬體與主艙室、隔離門之間的功能測(cè)試和密封性測(cè)試；

2)隔離門與轉(zhuǎn)運(yùn)艙之間的功能測(cè)試和密封性測(cè)試；以及轉(zhuǎn)運(yùn)艙的承載試驗(yàn)；

3)環(huán)鏈提升機(jī)構(gòu)的功能試驗(yàn)和承載試驗(yàn)；

4)以99.99%的氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)的氣體置換試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表面控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修設(shè)備和維修方案具備以下特性:

1)該控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的密封性，各密封空間的泄漏率在0.1vol%/h以內(nèi)，在維修過程中能有效防止一回路氦氣的泄漏及放射性石墨粉塵等物質(zhì)的擴(kuò)散，同時(shí)能阻擋雜質(zhì)氣體和異物進(jìn)入一回路，最大程度地保持一回路氦氣的純度；

2)施工人員通過主艙室和轉(zhuǎn)運(yùn)艙上手套和觀察窗，并在轉(zhuǎn)運(yùn)艙電動(dòng)葫蘆的配合下，能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與頂蓋法蘭面之間、環(huán)鏈與控制棒之間的快速分離；

3)該維修工藝能安全有效維修24套控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的任意1套，而且維修設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，減少氣體置換過程中的氦氣用量。

圖6 HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修設(shè)備功能試驗(yàn)Fig.6 Functional test of maintenance equipment for HTR-PM control rod drive mechanism

4)環(huán)鏈提升機(jī)構(gòu)能有效提升環(huán)鏈，提升載荷大于300 kg，提升過程中有效避免環(huán)鏈在控制棒中心孔道內(nèi)摩擦。

5)經(jīng)過氣氛控制系統(tǒng)的置換和內(nèi)部循環(huán)凈化，維修艙室內(nèi)氣氛的水分控制在100 ppm以下，氧氣控制在200 ppm以下。

4 結(jié)束語

所提出的HTR-PM控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修設(shè)備和維修工藝技術(shù)，能在維修過程中有效防止一回路氦氣的泄漏及放射性石墨粉塵等物質(zhì)的擴(kuò)散，同時(shí)能阻擋雜質(zhì)氣體和異物進(jìn)入一回路；并在氣氛隔離的環(huán)境下，維修人員通過手套箱快速實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與壓力容器頂蓋之間、控制棒與環(huán)鏈之間快速分離，并將分離后的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)至維修廠房進(jìn)行離線維修。整個(gè)維修過程施工人員無需進(jìn)入氦氣環(huán)境下，在線接受放射性劑量小。該維修設(shè)備和維修工藝具備一定的推廣和借鑒價(jià)值。