田灣核電站絕熱工程應用分析

李會義　周禮

摘 要：在核電站正常運行工況下，工藝系統管道與設備的絕熱結構設計對其熱運行效率來說具有重要的意義。文章介紹了田灣核電站俄羅斯設計的主要系統與設備的絕熱結構設計原則、應用種類、材料選擇等特點，與國內同類比較，分析其優缺，以及運行后各結構保溫層出現的一些問題。

關鍵詞：絕熱結構；保溫結構；保冷結構；絕熱層

1 概況

田灣核電站一期絕熱工程是由俄羅斯圣彼得堡原子能研究設計院（簡稱SPAEP）、俄羅斯OKB水壓機設計院（簡稱OKB）等進行設計的；中核工業第二研究設計院、國家電力公司東北電力設計院參與了部分設計工作。其范圍包括每臺機組的核島部分和常規島部分中所有廠房需要絕熱的系統管道與設備。核島部分設計要求絕熱的有43個工藝系統，其反應堆廠房內的一回路主管道與主設備的保溫盒由俄羅斯承包商負責設計與制造；常規島部分設計絕熱的工藝系統共有38個，其中，汽輪機本機的保溫結構是由俄羅斯列寧格勒金屬制造股份有限公司（簡稱LMZ）進行設計的。因此，每臺機組共有八十余個工藝系統的管道與設備進行了絕熱結構的設計與安裝。

絕熱結構設計可分為保溫結構和保冷結構設計兩部分。每臺機組設計要求絕熱的大部分工藝系統管道與設備采用的保溫結構，它是由保溫層和保護層為主要結構，與其支承、固定的輔助材料形成統一的表面保護實體，保溫層是由具有較小導熱系數、容重等絕熱特性的材料組成；保護層是利用保護材料的強度、韌性和致密性等特點，保護保溫層免受外力和水汽的侵襲，達到延長保溫層的使用年限的目的，并且作為表面工程的一個組成部分，使整體保溫結構不僅具有絕熱的功效，其外表面還具有整潔、美觀大方的裝飾作用。

保冷結構是由保冷層、密封防潮層、保護層組成的絕熱結構形式。其作用是為了減少和控制冷量損失與防止外表面凝露。密封防潮層是一層搭接適度，厚薄均勻，完整嚴密，無氣孔、無鼓泡、無開裂等缺陷的，具有阻燃、防水、防蒸汽滲透及抗老化性能材料構成的嚴密實物層；它是決定保冷層絕熱效果是否良好的重要一層。保冷結構的其它結構層與保溫結構的基本相同，但隨著新型材料的應用，保冷結構也從傳統的結構形式，向簡易化轉變。

2 絕熱結構設計的基本原則

就設計絕熱結構的基本原則而言，中、俄兩國的規范標準大同小異。俄羅斯SPAEP根據《核動力裝置的設置和設備及管道的安全運行規程》（ПН АЭГ-7-008-89）和《熱電站與核電站管道和設備保溫設計標準》（HP34-70-118-87）中的有關要求為基準。從溫度角度對設計保溫結構進行了主要規定：新建、擴建和改建的核電站設備與管道的介質溫度從45℃～500℃，熱電站從45℃～650℃都必須進行保溫設計。在操作間或接近性受限制房間內，保溫結構外表面溫度不得超過45℃；在接近性受限制的房間內和室外，介質溫度高于60℃的必須設計保溫層，并且保溫層外表面不得超過60℃。這與中國的保溫結構設計基本原則相比較只是保溫設計要求的起點溫度不同而矣，其它的技術要求（如防燙傷溫度、外表熱流密度標準、環境參考基準溫度等）都相一致。設計保冷結構的基本原則，二者是相同的。

3 絕熱材料的分析

一期兩臺機組選用的絕熱材料按產地可分為兩大類，一部分為俄供保溫材料，包括俄供可拆卸保溫盒、俄供褥狀超細玻璃絲棉縫氈、俄供褥狀玄武巖棉縫氈，主要應用于反應堆廠房、蒸汽間、汽輪機本機；另一部分為國內保溫材料，包括褥狀超細玻璃絲棉縫氈、超輕硅酸鋁甩絲棉毯與發泡橡塑管殼（或板材），主要用于除俄供保溫材料應用以外的其他核島和常規島廠房內需要絕熱的工藝系統管道與設備。

在機組控制區內，俄方在保溫層選材時，考慮到材料在具有不同放射性運行條件下的長期使用，防止污染擴散，保溫層的重復拆裝快捷，避免人員受照時間過長等使用特性。根據此特性原則的要求，對控制區內的保溫層材料采用一種外裹玻璃布的褥狀超細保溫棉縫合氈產品，即在每塊保溫棉毯的四周各個側面用具有一定致密性和強度的玻璃絲布嚴密包裹起來，再用規定的玻璃纖維縫紉線縫合。保溫棉毯材料外裹玻璃絲布的設置是絕熱結構中保證保溫層完整性、保溫性、獨立保護性和防止放射性污染擴散的關鍵性一道屏障。

3.1 俄供保溫材料應用中的問題分析

在機組控制區廠房內工藝系統管道與設備的保溫維修過程中，我們發現諸多俄供保溫材料自身問題而引起的施工技術難點。

原俄供褥狀保溫棉氈厚度不足，安裝壓縮比較大。在實際現場施工過程中，因俄供材料的實物厚度與其隨箱資料標定的厚度有很大差距，如合格證上標明為70mm厚的材料，現場實際測量厚度只有30mm～40mm。為了保證原設計的保溫安裝厚度要求，不得不反復的確認保溫材料的規格而選用。

俄供棉毯（KT-11）中渣球含量偏高，棉絲粗細不均，易斷裂。從絲棉外觀上比較，俄供棉毯的渣球含量明顯比國內同類的材料含量多；棉纖維絲粗細不均，短粗硬脆，極易造成保溫棉松散下墜，直接影響保溫效果和后續維修工作。

外裹玻璃纖維布的線密度較稀，經安裝后易漏棉脫絲掉渣。纖維棉經捆扎壓縮后產生的脫絲斷渣，拆卸保溫層后易形成粉塵，污染環境；人員進入廠房也會受到相應的傷害。這種材料應用于機組的高放射性反應堆廠房內，運行后的在役檢查和維修時，給拆裝保溫層的維修人員帶來了極大不便。

3.2 國內保溫材料的技術特性

在機組運行后的維修過程中，考慮到俄供保溫材料的采購周期過長、成本過高的等因素，在2007年我們實施了國產保溫棉替代工作。對于替代工作，俄方提出了高度的質疑，因俄供保溫材料雖然存在著諸多不足，可俄方同類材料在俄國內核電站已有運行幾十年的使用經驗，而中方的部分材料在核電站的應用仍需經受運行后實際工況條件的驗證。

考慮到國內保溫棉制品均沒有在核設施應用40年而確保材料穩定的經驗，我們委托設計院采用保守的設計原則，在各項技術指標均接近或率高于俄供材料的基礎上選擇國產保溫棉制品。經過多方調研、對比、分析，最終選定以歐文斯的玻璃棉，配合中材集團的高強度玻璃絲布，替代俄供控制區保溫層材料。經3年的實際應用，此種保溫材料制品不僅具備了俄供保溫層材料的各項優點，同時達到了我們預期替代的目的，完全滿足維修工作的需求。endprint

4 絕熱結構的應用分析

按照俄羅斯《熱電站與核電站管道和設備保溫設計標準》（HP34-70-118-87）中的絕熱結構總體要求及其特殊規定。在非操作間內，設備與管道外壁上的絕熱層允許采用永久性保溫結構。而在主循環管道與設備上其全部長度范圍內和其它在役檢查時需要進行檢測的地方，絕熱層都要求做成快速可拆卸式的保溫結構。

由于絕熱結構是由不同的絕熱材料和施工方法組合在一起的設計結構。現根據絕熱層與保護層的不同材料與組合形式，分析一期兩臺機組中設計應用的幾種絕熱結構類型。

4.1 俄供雙壁保溫盒式結構

田灣核電站兩臺機組反應堆廠房中的一回路主要設備與主管道的保溫結構設計和國內其他核電站反應堆內主設備的保溫結構基本相同，俄方OKB在設計時綜合考慮了反應堆核能熱效率、核安全、工業安全、在役檢查與維修等多方面的因素，選用了國際上較為先進的保溫結構形式--雙壁可拆裝式保溫盒結構。

田灣核電站兩臺機組一回路四臺蒸汽發生器、四臺主循環泵、四環路主管道、一臺穩壓器及其主要連接管道、四臺安注箱及其主要連接管道，每臺機組共有3523平方米的面積采用此類保溫結構形式。

4.1.1 保溫盒結構特點分析

快速可拆裝保溫盒是由多塊具有保溫層、不銹鋼刺釘、內設密封不銹鋼保護層、不銹鋼外保護層、標牌、搭扣和把手等組成可重復拆裝的保溫結構形式。其保溫結構設計特點如下：

●保溫效果好、外形美觀

采用不同厚度不銹鋼保護層制作的密封結構保溫盒，最大限度地降低了金屬保護層引起的自身熱損失，用魚鱗狀組合安裝成型，增強了設備整體保溫盒的保溫效果，提高了設備的熱效率。也使其整體外形圓滑美觀大方。

●維修檢查拆卸方便，可多次重復使用

因保溫盒的組合結構是經特殊工藝與材料制作的具有相對獨立的多塊拼裝形成的絕熱結構。可快速密封搭接組合，方便裝配，易于拆卸，并且可多次重復拆裝使用，設計壽命長達40年。機組運行維修期間，在役檢查和維修拆裝都很方便。

●安裝便捷、周期短、綜合經濟效益好

保溫盒方便簡易的快速搭接組裝，縮短了維修時間，節約了設備大修時間，相對延長了設備正常運轉發電周期，提高了設備的運轉效率，增加了每一次大修循環周期內的機組發電量，直接提高了機組的經濟效益。另外，傳統保溫結構使用的保溫材料，每次拆除時，有部分原保溫材料不能再利用，造成材料浪費；而快速搭接保溫盒拆裝時，只是每塊連接部位的組合與分離，保溫材料可以重復利用，提高了材料的利用率，節約了材料，減少了放射性廢物垃圾的產生，節省了每次維修的成本，相應地提高了機組的經濟效益。

●改善了維修環境和設備衛生

在每次大修時，反應堆廠房內的傳統保溫層材料受安裝壓縮或人為因素破壞后，產生的帶有一定放射性的粉塵，在拆裝過程中會對設備與空間環境造成不同程度的污染。致使維修人員因輻射劑量和維修時間的限制，影響大修期。而采用快速可拆卸保溫盒，使整體保溫材料處于一定的密閉空間內，避免了放射性粉塵對設備和空間環境的污染。

4.1.2 保溫盒結構實際應用中的不足

盡管雙壁保溫盒結構有上述較多的優越性，但由于原始設計對后續維修工作考慮的不足，造成在歷次大修中對維修及在役檢查工作中，對保溫盒的反復拆裝帶來很大的不便。其主要因素如下：

●保溫盒單塊體積太大

主設備俄供雙壁可拆卸式保溫盒在原始設計和制作過程中未滿足國內單塊小于25公斤/塊的要求，單塊體積過大并較為笨重，給后續維修拆裝工作造成很大的不便。不僅要投入相當多的人力，而且保溫盒本體在拆裝運輸過程中極易變形、損壞，致使熱量從拼接縫處泄露，直接影響了機組的安全運行。

●保溫盒制作結構單一

主設備俄供雙壁可拆卸式保溫盒在原制作階段，全部采用傳統的順水搭接模式，致使設備保溫盒整體結構環環相扣，取一塊必動全身，未考慮后續在役檢查工作的需求。即便是只檢測一條焊縫，也必須將設備本體保溫盒拆除70%以上，增大了維修工作量。

●對不可達死角的控制較為薄弱

雙壁可拆卸式保溫盒采用金屬拼接的鏈接模式，對設備不可達死角處的處理較為薄弱。原設計未考慮添加附屬配件設施，對不規則死角區域進行防堵，造成熱量擴散。

4.2 抹面層絕熱結構

根據俄方設計文件PROJECT №ЭЛ55《Thermaqustic insulation of steam turbine》K-1000-60/3000 中的規定，每臺機組常規島汽輪機本體及其管道和附件均采用膠泥抹面保護層結構進行保溫。

4.2.1 抹面層保溫結構技術指標介紹

為了滿足汽輪機本體運行時的升溫與降溫速度、熱量利用效率、振動等運行工藝的要求，汽輪機本體的保溫結構，俄方LMZ設計采用了傳統的保溫結構方式：保溫層+抹面層+玻璃絲布油漆。保溫層材料有俄供褥狀玄武巖棉縫氈；抹面材料及其它輔助材料。國內抹面材料的技術特性如下：抹面層干密度容重不大于280kg/m3，在25℃時導熱系數為0.0691W/m·k，在70℃時為0.080W/m·k ；PH值為7～11，體積收縮率7.1%，最高使用溫度為600℃。封閉油漆為WE61-400耐高溫防腐涂料，最高使用溫度為400℃，可適用于冷熱交替運行工況。

4.2.2 抹面保護層的作用分析

密封絕熱作用。與其它保溫結構相比較，抹面施工時，涂抹的灰漿能把棉毯的縫隙與孔洞填充，緊貼著主保溫層的材料，形成一層較為致密的保護層，增強了保溫結構的密封絕熱效果。

改善絕熱層的表面條件。由于俄設計的汽輪機（K-1000-60/3000）的高、低壓缸及其閥門的整體部件比較龐大，其外表面存在著不同程度的凸凹不平，影響著保溫結構的外觀。利用抹面灰漿的可塑性材料，通過抹面的找平與找圓工藝把保溫結構與基體緊密結合在一起，使閥門與設備的保溫結構表面圓滑平整，光潔勻稱，外觀保持一致性。endprint

提高絕熱結構的防水性。因抹面層的干密度比保溫棉毯的密度大得多，結構比較致密，多采用灰漿（粘結劑）膠結材料，與其外裹油漆玻璃絲布共同形成復合保護層，大大提高了保溫結構的防水、防潮能力。

提高絕熱層的表面強度。由于抹面層中含有纖維增強材料和不銹鋼絲網作骨架，其表面強度較高，能夠抵抗一般情況下的外力撞擊和荷重能力。

施工適應性較強。抹面保護層的施工，不受設備與管道所在位置和表面形狀的限制，對主保溫層的表面條件要求較低。具有廣泛的施工適應性。

抹面層結構存在的不足。施工時手工操作，材料損耗較大，勞動強度大，工作效率低，厚度不均且較難控制，施工質量受時間、人為因素制約較大。而且設備在熱態與冷態轉變情況下，以及較大振動等長期運行工況下，抹面層不可避免地會出現裂縫，致使失去保護作用，影響保溫結構的整體絕熱功效。

4.3 捆扎式結構

捆扎式絕熱結構是目前絕熱工程中使用最普遍的一種絕熱結構，也是田灣核電站機組中應用最多、最廣的一種絕熱結構形式。由于設計選用保溫材料的因素，每臺機組八十余個工藝系統的管道與設備，都采用了這種絕熱結構方式。其絕熱層主要依靠不銹鋼帶或其它金屬材料（如不銹鋼絲、鍍鋅鐵絲）捆扎固定的工藝結構。

5 技術改造分析

依據俄方原始設計在役檢查大綱要求，每臺機組核島部分，需要在役檢查的有36個系統。據初步統計，可拆卸式保溫盒共有7649組，輔助設備有65臺。按照俄羅斯SPAEP的保溫設計文件，要求在役檢查的工藝系統管道與設備焊縫處的保溫結構沒有設計成單壁、雙壁保溫盒式的快速可拆卸結構形式，只是對在役檢查工藝系統管道焊縫處進行了傳統的可拆卸式保溫結構設計，這些系統中的管道及65臺役檢輔助設備仍為傳統固定式保溫結構形式。為此，我們結合國內其他核電站的實踐經驗，組織設計院編制了可拆卸保溫盒制作和安裝技術要求、保溫結構典型圖、保溫材料技術要求、可拆卸保溫盒熱失量分析等一套較為完整的、可操作的設計技術文件。并從T101大修開始，分批次進行改造。

參照國內其他核電站的可拆卸保溫盒的設計、制作、安裝情況，結合田灣核電站的實際工藝要求，在施工現場制作與安裝可拆卸保溫盒具有以下特點。

在役檢查系統多，保溫盒品種多樣化。每臺機組核島部分共有36個保溫在役檢查系統，工藝系統的管道附件如閥門、彎頭、三通、大小頭等要求役檢和維修的數量是國內其他核電站的幾倍。根據不同工藝系統管道中的介質溫度不同，要求保溫盒的厚度大小也不相同，這樣使得保溫盒的形狀大小出現了多樣化。

現場系統管道布局復雜，實測、制圖工作量大。由于核島內各個廠房的管道布局多種多樣，有些管道布局非常緊湊，可實測操作空間比較狹窄，受障礙物的限制，實際測量的準確性與速度都要受到影響。在每個可拆卸保溫盒進行安裝組對時，根據現場實際條件有部分保溫盒一個還要拆分為若干瓣，這更增大了實測制圖和預制的復雜性。

雙壁保溫盒結構制作技術含量較高，預制工藝復雜。每個保溫盒的制作，首先要進行預制圖的繪制工作（包括現場實地測量尺寸、繪制草圖、復核修改尺寸大小、繪制預制加工圖）；然后制作安裝保溫盒（包括按加工圖預制、內外壁成型、現場試裝與修改、合格后整體成型、現場整體試裝與修改、貯存與安裝），因此需要一批熟悉機械制圖的，具有現場實測經驗與快速繪制能力的專業技術人員進行前期準備工作。

制作保溫盒所需設備、工機具。根據初步統計的《可拆卸保溫盒制作需要設備、工機具清單》的數據，需要折彎機、卷扳機、剪扳機、鋸齒機、沖剪機、電焊機等16種設備100余臺。并相應要求配置一般性工具26種。

6 結論

結合俄中兩國的保溫材料在機組中的使用情況，分析其設計結構與使用特點。充分考慮機組運行后各項工作的方便開展，進一步優化電廠保溫工作的結構，從而提升保溫工作的管理，為以后國內建設國產化核電站提供一些使用經驗素材。

參考文獻

[1]《核動力裝置的設置和設備及管道的安全運行規程》（ПН АЭГ-7-008-89）.

[2]《熱電站與核電站管道和設備保溫設計標準》（HP34-70-118-87）.

[3]LMZ編制.Thermaqustic insulation of steam turbine》K-1000-60/3000.

[4]王巧云，李金平.絕熱（保溫）材料及應用工程標準匯集.

[5]湯美玲.田灣核電站保溫材料國內采購技術要求.

[6]楊衛東.田灣核電站保溫材料國內采購技術要求及保溫結構設計修改說明.

作者簡介：李會義，男，（1980.09-）， 江蘇連云港人，本科，工程師。endprint