帶壓密封技術在核電廠中的應用分析

摘 要：運行中的核電廠某系統發生泄漏時，在無法隔離檢修的情況下，帶壓密封技術可以在不影響機組生產運行的條件下，對泄漏的管道、設備進行封堵而迅速消除泄漏。該文通過模擬采用第三代AP1000核電技術的山東海陽核電廠壓縮空氣系統管道泄漏事件的處置過程，從核電廠的人員和工具配置、技術準備、程序文件準備、施工方案策劃、夾具設計制造、封堵工藝流程等方面分析帶壓密封技術在核電廠中的實施，以及其對保障核電廠安全、經濟運行所起到的重要作用。

關鍵詞：帶壓密封 夾具 核電廠 應用

中圖分類號：TB42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0127-02

1 帶壓密封技術在國內核電站的應用

帶壓密封技術是指當運行中的設備發生泄漏后，可以在不停車，不影響正常生產運行的情況下實施封堵，快速消除泄漏的一項技術。該項技術于1922年起源于美國，20世紀60～70年代逐漸發展并擴大應用范圍，我國是從80年代初開始立項研發，目前該技術在各行各業已得到廣泛的應用。其基本原理是，用夾具包容泄漏點建立密封腔，以高于泄漏系統壓力的推力注入密封劑，達到工作密封比壓，阻止泄漏，實現再密封。

相對于常規電站而言，核電站因其核安全的特殊性，在設計建造、設備采購、運行維護等方面有更高的質量標準。但由于在生產過程中受到介質的腐蝕、沖刷、振動、溫度壓力變化的作用，以及其工藝系統復雜、不間斷運行時間長等因素，仍無法杜絕“跑、冒、滴、漏”的出現。一旦重要設備出現泄漏，可能造成系統降功率、停機停堆事件，影響機組安全，造成巨額的經濟損失，甚至可能影響核安全。這時，就需要及時有效、在不停機狀態下安全地消除泄漏，因此，帶壓密封技術對核電具有極其重要的作用，且在國內在運核電站中已有大量成功的應用案例。

2 山東海陽核電廠帶壓密封準備工作

作為全球首批第三代AP1000核電項目，處在建安和調試高峰期的山東海陽核電廠正開展著帶壓密封作業的規劃和準備工作。初期，該廠按照能夠解決中低壓/溫以及危險性較低的泄漏的要求進行設備和人員配置，對于一些危險性較高的情況則委托專業的帶壓堵漏公司進行封堵。

帶壓密封技術不同于其他常規維修工作，具有高風險的特點，對操作者本人、他人及周圍設施的安全可能造成重大傷害。因此，只有在正常維修措施無法實現，同時，設備的運行條件及相應介質滿足帶壓密封技術實施要求的情況下才能實施。為保證作業安全順利進行，并滿足國家相關法規的要求，海陽核電廠發布了《特種作業許可管理》程序來規范帶壓密封作業。程序規定，由維修部發起特種作業申請，需注明申請原因、設備名稱和設備代碼、作業地點、危險源及對應控制措施、作業安全措施、作業組織等內容，經由運行部、安全質保部對機組參數、風險分析、安全防護措施等內容進行審查和補充，最終由分管副總經理批準生效，工作策劃員和現場作業人員必須持《特種設備作業人員證》才能從事相關工作。同時，已編制生效《操作規程》指導工作現場的具體操作步驟。

在海陽核電廠，帶壓密封技術只被允許應用在常規島、BOP相關設備的泄漏處理，對于一回路的相關設備則禁止使用，主要考慮密封膠沒有取得抗輻照驗證，以及存在密封膠注入一回路，降低設備使用壽命的風險。

在人員準備方面，維修部已有5人通過中國特種設備檢驗協會培訓并獲得《特種設備作業人員證》。工具方面，按照兩臺機組每個大修周期內需要內部實施4次帶壓密封進行規劃，主要包括兩套帶壓密封專用工具、作業人員使用的隔熱服、連體服等個人防護用品以及適用于不同溫度、介質的密封膠。每套專用工具包括手動、氣動液壓泵，液壓軟管，注射槍及槍管，壓力表，快速接頭等。

3 模擬壓縮空氣系統泄漏處理

（1）儀用壓空系統泄漏。根據海陽核電廠《喪失儀用壓空》的運行程序，當儀用壓空系統破裂或泄漏時，運行人員通過電站通訊系統通知電站員工儀用壓空壓力低、停止使用所有不重要的廠用壓空并根據程序采取相應措施。查明漏點為儀用壓空母管后，要求維修人員執行“壓空系統泄漏” 修復工作。若泄漏無法消除，儀用壓空壓力持續降低，可能導致某安全相關氣動閥由于失去壓氣而打開，造成停堆。

（2）帶壓密封可行性分析與方案制定。接到緊急缺陷后，維修值班人員響應，確認泄漏點為4\"的直管段焊縫，該段管道無法進行隔離檢修。進過系統介質、壓力確認，現場環境檢查，泄漏點檢查（檢查泄漏點周圍有無腐蝕、管壁減薄）等，初步判斷可實施帶壓密封作業。方案經審查、批準，確定采用盒式夾具，把泄露部位包封起來，然后向密閉腔內注入密封劑消除泄露。

（3）夾具設計。夾具是在帶壓堵漏中安裝在泄漏缺陷部位形成密封空腔，提供強度和剛度保證的承壓金屬構件。夾具作用有包容和覆蓋泄漏部位，形成密封空腔；空腔內容納密封注劑；夾具承受系統壓力和密封注劑擠壓力；組成新的密封結構。由于夾具的重要作用，其設計的好壞，關乎整個帶壓密封作業的成敗。夾具設計包括：材料選擇、結構應用、尺寸確定和強度計算等。

首先需要確定泄漏部位的工況參數：泄漏系統壓力PL為0.8 MPa；泄漏介質為空氣；系統溫度為20；直管泄漏，管外徑為Φ108 mm；泄漏狀態為焊縫單點泄漏。

在材料選擇方面，為避免夾具對壓空系統不銹鋼管道造成碳污染，本體與耳板選用304L不銹鋼，[σt]=115MPa，螺栓選用30CrMoA材質，[σt]=179MPa。（[σt]為在一定溫度下的許用應力，取自ASME第Ⅱ卷D篇性能）

夾具結構如圖1所示。

空腔寬度應覆蓋泄漏缺陷終止點，并距側端板內距離大于15mm，本次管道泄漏可看作點泄漏，確定夾具空腔寬度C=35mm。

空腔高度與泄漏介質溫度有關，結合密封劑固化性能等因素綜合確定，宜在520mm之間，設夾具空腔高度10 mm；

夾具計算直徑D=管道外徑+2倍空腔高度=128 mm；

夾具厚度S，由強度計算確定，因受安裝注射閥螺紋尺寸限制，不小于14 mm；

側板厚度Y，通常取Y=1.3～1.5S。

耳板寬度b，為便于焊接及強化受力，直管夾具耳板寬度可選擇與夾具的寬度相同。

因為要考慮密封注劑在密封腔內的動態變化和密封比壓的需要，并提高夾具的剛性穩定需求，一般取設計壓力為系統壓力與一修正值之和。設計壓力PC=PL+5=0.8+5=5.8 MPa。

夾具與泄漏管道外壁的密封空腔內，承受介質的壓力和密封劑的擠壓力，其壓力垂直于內壁面，以正應力為主。根據實際應用和應力測試，引用GB150《固定式壓力容器》的壁厚計算公式。

夾具本體厚度：S==3.31 mm，（為焊接系數，此處取1），按夾具最小厚度不小于14 mm的規定，應用厚度S=14 mm。

夾具側板厚度Y=1.3～1.5S，取值為Y=20 mm。為便于密封劑的流動，設計采用單排6個規格為M12的標準型密封劑注劑孔。

螺栓小徑：d===8.4 mm，（式中：Ck預緊和剛度系數，取1.5；n為螺栓數量）。為控制螺栓初始緊固操作中不產生屈服變形，及避免扳手過力可能造成的螺栓超載，選4個規格為M12的8.8級雙頭螺栓。

耳板厚度：t===11.27mm，（式中：L1為耳板螺孔中心與本體距離，取L1=14 mm；b為耳板寬度，b=C+2Y=75 mm）。選用耳板厚度t=12 mm。

（4）現場實施模擬。設備運至現場，完成現場檢查、工前會等內容后按照《操作規程》實施帶壓密封作業。首先計算夾具與管道空腔內的體積約為130 mL，判斷需使用4～5只密封劑；對油泵、液壓油管、壓力表、注劑槍等工具進行檢查；夾具套在泄漏點處，貼合緊密，加上螺栓，用扳手緊固；將注劑閥旋入夾具的螺栓孔中，從遠離泄漏點位置從兩側依次以適當壓力向空腔內注入密封劑。

可通過聽聲音和感知氣流判斷已完成對泄漏點的封堵，觀察一段時間后（1～2 h）不再出現泄漏現象，說明堵漏成功。該夾具可維持到下次換料大修時進行拆除，完成對管道的徹底修復。

4 結語

由以上案例可見，帶壓密封技術的使用可以及時有效地消除了海陽核電廠壓縮空氣系統的泄漏，保障了電站安全可靠地運行。所以，在核電廠的生產準備工作中，做好帶壓密封技術的引進和規劃是十分必要的。同時，隨著抗輻照密封劑的研發和帶壓密封技術產業的不斷發展，帶壓密封技術在核電領域也將有越來越廣泛的應用。

參考文獻

[1]中華人民共和國電力部.電力安全工作規程（熱力和機械部分）[S].2010：18.

[2]GB 150.3-2011壓力容器第3部分：設計：9395[S].

[3]胡憶溈.實用帶壓密封夾具設計圖集[M].北京：機械工業出版社，1998：2528.