失水事故試驗容器電纜貫穿方式改進設計

周 緣 王廣金 陳 青 周 天 鄭蘭疆

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

失水事故試驗容器（以下簡稱試驗容器）是模擬失水事故期間反應堆安全殼內的熱工和化學環境，用以考驗核級設備在事故期間以及事故后是否能按照程序要求正常穩定工作的專用試驗容器，因此需要在失水事故試驗過程中，為試驗的核級設備提供動力或信號傳輸的通道。

參考IEEE382標準的規定[1]，目前常用的失水事故試驗環境條件如下：1）峰值溫度156℃，峰值壓力（絕對值）560kPa，最大相對濕度100%。2）化學溶液腐蝕條件為硼酸含量1.5%，氫氧化鈉含量0.6%，pH值9.25。3）噴淋流量為1.02×10-4m3/s·m2。

通常將動力或信號電纜在試驗容器的外法蘭上進行開孔貫穿后，與被試驗設備直接相連，電纜與貫穿孔洞的密封采用硅橡膠或環氧樹脂，并通過壓緊螺母固定電纜。在試驗過程中，由于密封材料長期在高溫和壓力作用下容易出現密封失效，并且每次試驗設備不同，電纜的選型也隨之不同，需要帶不同尺寸的外法蘭與之配合，因此外法蘭更換頻繁，造成了大量浪費，給試驗工作帶來極大不便。

借鑒我院成熟的電氣貫穿件產品設計部分經驗，結合試驗容器的實際使用情況，該文設計了一種更方便、可靠的電纜貫穿裝置。

1 總體結構設計

失水事故試驗用電纜貫穿裝置主要由“貫穿件本體”“內部接線箱”和“外部接線箱”3個部分組成，其整體安裝如圖1所示。貫穿件本體穿過試驗容器的預留孔道，通過法蘭螺栓固定，并利用金屬波紋軟管保護絕緣包覆導體。

圖1 低壓電纜貫穿裝置整體安裝示意圖

外部接線箱安裝于遠處的地面或墻面上，內部接線箱固定在失水事故試驗裝置內壁的螺栓上。內、外部電纜通過接線箱中的端子排與導體組件的導線相連。

進行試驗時，只需要根據每次試驗設備的不同，更換內部接線箱至試驗設備的一小段電纜即可，其外部至檢測設備的電纜無須進行拆卸或者更換。因此，每次不需要更換整根電纜，不僅節約了成本，還減少了試驗安裝的工作量。每次試驗前，檢測貫穿件本體與試驗容器各連接處的密封情況及導體組件電氣性能各項指標，只要在規定范圍內，便無須更換導體組件或密封組件。

2 關鍵密封結構設計

在如圖1所示的整體結構中，低壓電纜貫穿裝置的關鍵密封結構包括貫穿件本體與容器間的密封、貫穿件本體上導體組件本身的密封、貫穿件本體上導體組件與端板法蘭的密封。在具體的設計工作中，需要從這3個方面進行充分考慮，在滿足功能的情況下，使結構設計更合理。

3 貫穿件本體結構設計

貫穿件本體結構示意圖如圖2所示，貫穿件本體由導體組件（包括40×18AWG導體組件、37×16AWG導體組件、30×14AWG導體組件、20×12AWG導體組件、9×8AWG導體組件、8×6AWG導體組件以及6×4AWG導體組件等規格）、支撐板、支撐桿、端板法蘭、盲堵和密封組件組成。其中，導體組件是實現電氣傳輸功能的關鍵部件，具有統一的外徑，可滿足互換性要求，并通過密封組件將導體組件固定在端板法蘭上，支撐板通過均勻分布的3根支撐桿連接，并與端板法蘭固定。端板法蘭、支撐板和支撐桿為通用模塊，可根據試驗容器的開孔尺寸進行調整。盲堵用于封堵未裝導體組件的通道。所有零、部件間均采用可拆卸結構連接。

圖2 貫穿件本體結構示意圖

3.1 導體組件設計

導體組件由保護套管、密封模塊和導線組成，采用連續均衡擠壓成型工藝進行密封，從而組成一個完整的導體組件。

由于聚醚醚酮（PEEK）[2]在較寬廣的溫度下仍然能保持良好的電氣性能，并且在高溫下耐化學腐蝕、耐水解，因此可在240℃～260℃的溫度下長期使用，具有優異的耐熱水性和耐蒸汽性（可在200℃的蒸汽中長期使用）。綜上所述，PEEK材料適用于失水事故試驗的高溫、高濕環境。因此，該文設計時選用該材料為主要的絕緣和密封材料，將其應用于導線的外表面絕緣和密封模塊的制作。

其中，導線為連續的銅導體，銅導體的外表面包覆一層PEEK絕緣材料；作為同時承擔絕緣和密封功能的零件，密封模塊也選用PEEK材料制作；保護套管為金屬材料。

導體組件示意圖如圖3所示，組裝成型后的導體組件整體在設計壓力500kPa（絕對壓力）下，對干燥氦氣的最大氣體泄漏率低于1×10-7Pa·cm3/s。該結構經過電氣貫穿件整機的型式試驗驗證，導體組件經歷失水事故試驗后仍然能保持良好的密封性能和電氣性能。

圖3 導體組件結構示意圖

新的電纜貫穿裝置導體組件外徑統一，方便更換，導線和密封模塊可設計為6芯到40芯各規格，芯數和參數見表1。

3.2 端板法蘭結構設計

端板法蘭結構示意圖如圖4所示。將端板法蘭設計為一凸面密封結構，原材料選用奧氏體不銹鋼。內圈凸起部分設計了3個120°均勻分布的導體組件貫穿孔道（貫穿孔道數可根據需求增減），用于貫穿和固定導體組件。同時，在內表面與導體組件貫穿孔錯開60°的圓周方向上，加工了3個未貫穿的螺釘孔，用于安裝支撐桿。在端板的最外圈設計了與試驗容器法蘭配對的螺栓通孔，該法蘭的所有開孔和尺寸均可根據試驗容器的具體需求進行擴大或縮小。端板法蘭與容器的密封圈可選用“O”形硅橡膠、聚四氟乙烯墊或石墨石墨金屬纏繞墊。

圖4 端板法蘭結構示意圖

3.3 支撐板結構設計

由于導體組件整體較長，該文特設計了支撐板（如圖5所示），用于固定穿過端板法蘭的導體組件，支撐板的原材料同樣為奧氏體不銹鋼。

圖5 支撐板結構示意圖

在支撐板端面上120°均勻分布3個導體組件支撐孔，其開孔內徑與導體組件外徑間隙約為0.5mm～1mm，以保證導體組件順利穿過的同時具備支撐功能。支撐板側面設計有3個均布的止動螺釘孔。將止動螺釘擰入該孔，并與導體組件接觸，固定導體組件的周向運動，降低試驗過程中的振動對整機密封性能的影響。另外，在與導體組件支撐孔錯開60°的圓周方向上設計了3個支撐桿安裝孔，支撐桿安裝孔的內徑小于支撐桿光滑圓柱面的外徑，因此組裝時支撐桿能順利貫穿，與背面的螺母一起對支撐板形成限位，從而將端板法蘭、支撐板連接為一個整體結構。

3.4 支撐桿結構設計

支撐桿結構示意圖如圖6所示。支撐桿為兩端帶外螺紋的整體圓棒結構。組裝時，依次將3根支撐桿的短螺紋端完全旋入端板法蘭密封面上的螺紋孔內，將另一端穿過支撐板后用螺母擰緊，支撐桿原材料同樣為奧氏體不銹鋼。

圖6 支撐桿結構示意圖

當配對的試驗容器貫穿孔道較短時，導體組件長度也相應減短，可去掉支撐板、支撐桿等支撐件。

3.5 密封組件

密封組件由壓緊螺母、壓緊環和卡套組成，其中，壓緊螺母和壓緊環原材料為奧氏體不銹鋼，卡套為易變形的軟金屬材料。

導體組件貫穿端板法蘭的孔道后，旋緊壓緊螺母，通過壓緊環使卡套產生變形，并填滿低壓導體組件與端板貫穿孔道間的縫隙，從而使兩側端板上的組件貫穿孔道得到密封，并通過密封組件將導體組件固定在端板法蘭上。

由于所用卡套為軟金屬材料，因此可在很大程度上減少傳統電纜貫穿使用硅橡膠或環氧樹脂密封時失水事故試驗環境對密封效果的影響，提高了該裝置的高溫密封性能。當然，根據實際使用情況，還可以采用在卡套的外表面鍍銀的方式，進一步提升裝置的密封性能。

4 接線箱結構設計

在試驗容器內部和外部分別設計了接線箱，導體組件的導線從接線箱頂部開孔進入其內部，與安裝在接線箱內部的接線端子端接，外部電纜可通過接線箱底部進入內部，與其對應規格的接線端子端接，從而實現內、外部電氣信號的導通。接線端子在接線箱內部采用垂直排布的方式，便于上、下導線布線。

接線箱結構示意圖如圖7所示。接線箱的外形尺寸可根據現場的具體需求定做。為降低成本，外部接線箱原材料可整體選用碳鋼板材噴漆，安裝于遠處的地面或墻面上，并靠近試驗現場的電源。由于試驗容器內部空間有限且試驗時內部長期處于高溫水蒸氣環境，因此內部接線箱采用全不銹鋼的壁掛式結構，并固定安裝在試驗裝置內壁的螺栓上。

圖7 接線箱結構示意圖

5 不銹鋼波紋管結構設計

不銹鋼波紋管也全部采用奧氏體不銹鋼制造。不銹鋼波紋管由3個部分組成（如圖1所示），分別為兩端的接頭（分別為接頭1、接頭2）和中間的單層金屬波紋管，3個部件焊接為一個整體。其中，中間的波紋管長度可以根據實際情況進行增減。

接頭1固定在導體組件的保護套管上，配合保護套管的外徑尺寸，采用半圓型的卡箍結合卡座的結構，半圓形內徑與導體組件外徑尺寸一致。在卡箍的兩邊對稱設計了2個沉頭通孔，在卡座上的對應位置設計了2個螺紋孔，并通過2個內六角螺釘，將卡箍擰緊固定在卡座上。卡座的另一端設計了與波紋管外徑相匹配的焊接結構，與波紋管進行焊接。接頭采用卡箍式的結構，確保快速擰緊的同時不會帶動波紋管旋轉。

接頭2一端同樣設計了與波紋管外徑相匹配的焊接結構，并與波紋管進行焊接。另一端帶外螺紋，并穿過接線箱頂部的通孔，在接線箱內部用螺母擰緊固定。

由此，不銹鋼波紋管為導體組件外露的導線部分提供了較好的物理防護作用，并在裝配或試驗件安裝拆卸過程中不會損傷導線外包覆的PEEK絕緣層。

6 盲堵結構設計

3.2節已述在端板法蘭上設計了3個（或者更多）導體組件貫穿孔道，試驗時，如果所需導體組件實際數量較少，則多余孔道無須安裝導體組件，可用盲堵將空余的孔道封堵起來。該裝置設計的盲堵為一圓柱形結構，其外徑與導體組件保護套管外徑一致，安裝致端板法蘭時，同樣采用3.5節所述的密封組件進行密封和固定。

7 結論

該文電纜貫穿裝置的部分零、部件借鑒了電氣貫穿件產品的成熟設計，特別是作為功能模塊的導體組件，是跟隨電氣貫穿件整機通過了輻照老化試驗、運輸和儲存模擬試驗、熱工作循環模擬試驗、抗震試驗、模擬失水事故環境條件下的性能試驗、耐火試驗等系列鑒定試驗的考驗，在各種事故工況下，均能保持良好的電氣性能和密封性能，完全滿足該裝置設計要求。部分試驗參數見表2。

表2 導體組件試驗參數表

該文設計的電纜貫穿裝置結構緊湊、尺寸小巧，適用于核電廠失水事故試驗容器內部有限的安裝空間，并在結合實際安裝情況的基礎上，為失水事故試驗的貫穿電纜提供了一種新的連接和密封方式。綜上所述，該文裝置具有如下優點：1）采用成熟常見的連續均衡擠壓成型工藝進行導體組件的密封成型，設備通用，工藝成熟可靠。2）采用聚醚醚酮材料為密封模塊，并以金屬卡套將導體組件與端板進行密封，使該文裝置具有良好的密封性能。3）采用聚醚醚酮絕緣包覆導體作為導體組件的載流線芯，并外套聚醚醚酮密封模塊，提高了電纜貫穿裝置對試驗容器內環境的適應性，具有較好的電氣絕緣性能和較長的使用壽命。4）電纜貫穿裝置可按照工程要求留有導體組件的備用安裝孔道，并通過盲板封堵，便于在工程過程中的電纜通道進行擴充。5）采用標準化的導體組件的，便于組件拆卸和互換。6）為被試驗的電氣設備提供了一種方便安裝、拆卸、可靠穩定且可重復使用的電氣或信號傳輸。