核電廠射流蒸汽電鍋爐電極安裝工藝改進

劉馳程，孫 浩，韓文軒，包彥省，錢華隆

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.萬納神核控股集團有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠通常都配置輔助蒸汽電鍋爐，用于首堆啟動階段或無其他汽源時向核電站設備提供必要的啟動蒸汽[1]。當核反應堆功率上升到某一定值后，輔助蒸汽電鍋爐將被置于熱備用狀態以備為下次機組冷啟動提供汽源保障。

輔助蒸汽電鍋爐具有運行效率高、蒸汽品質好及環保無煙排放等優點。目前國內外大部分核電站均建有大功率輔助蒸汽電鍋爐，主要分為浸沒式高壓電極鍋爐及射流式高壓電極鍋爐兩類[2-4]。

某核電配置有兩臺射流式高壓電極蒸汽電鍋爐，由美國Precision Boilers公司生產制造，型號HVJ-338-250，功率25 MW，額定運行電壓13.8 kV，設計有三相6組電極，每相各有單、雙電極1組。為確保鍋爐安全穩定運行，電廠結合制造廠運維要求及特種設備管理規定，每5～6年實施一次高壓電極解體檢修，但統計歷次鍋爐電極解體檢修情況，鮮有6組電極安裝后均不漏汽案例。因此，查明制約電極安裝質量的關鍵因素并提高電極安裝成功率具有很強的必要性。

1 射流式蒸汽電鍋爐高壓電極結構

射流式蒸汽電鍋爐高壓電極由外部瓷套管、中間瓷套管、內部瓷套管、導電桿、電極底座、均壓屏蔽罩及多種密封墊組合而成，如圖1所示。三種套管經導電桿、電極底座、鍋爐電極支座、電極頂蓋及緊固螺栓壓裝成整體。各瓷套管密封面均配置有密封墊，其中內部瓷套管與電極底座、鍋爐電極支座之間采用柔性石墨密封墊。導電桿及電極底座承受13.8 kV電壓，鍋爐內部蒸汽溫度達到130 ℃以上，蒸汽氣壓在1.0～1.2 MPa范圍。

圖1 射流式輔助蒸汽電鍋爐高壓電極Fig.1 The high voltage electrode of the jet auxiliary steam electric boiler

鍋爐運行期間，內部瓷套管兩端及石墨密封墊的安裝質量，直接影響電極在高壓蒸汽環境的嚴密性。對存在安裝工藝缺陷的電極，高壓蒸汽將可能侵蝕密封薄弱點并泄入大氣。含電解質的水汽受冷凝結在外部瓷套管表面，將直接導致電極帶電部位與鍋爐電極支座閃絡，引發嚴重短路事故[5]。

2 高壓電極漏汽成因分析

針對高壓電極組裝成功率偏低問題，對兩臺鍋爐歷次電極檢修情況進行統計，見表1。其中多組高壓電極在由美國專業工程師實施組裝后，也曾出現蒸汽泄漏問題。因此，基本排除人員技能不足導致電極組裝成功率偏低因素。

2.1 高壓電極密封墊預緊力

加工電極嚴密性檢驗工裝，選擇典型的蒸汽泄漏電極作為試驗對象，將各套管、導電桿及電極底座等組合成嚴密性檢驗系統，如圖2所示。考慮安全性因素，依據國標《GB 150—2011壓力容器》建議，選擇水壓試驗替代氣密性試驗。在試驗工裝接口連接增壓泵，將水壓提升至約1.2 MPa，觀測試驗壓力表及內部瓷套管密封面漏水情況。

圖2 電極嚴密性檢驗工裝Fig.2 Electrode tightness inspection tooling

表1 輔助蒸汽電鍋爐歷史檢修狀況統計Table 1 Statistics of historical maintenance conditions of the auxiliary steam electric boiler

現場實施了5次試驗，通過緊固導電桿端部螺栓增大內部瓷套管端面密封墊預緊力。在測得緊固螺栓配套蝶形墊片邊沿間隙不小于1.0 mm極限距離的情況下，每增加10 N·m進行一次試驗，每組試驗持續60 min，結果見表2。試驗表明，在增大高壓電極內部瓷套管端部密封墊預緊力時，試驗電極仍出現泄漏現象，因此，研判密封墊所受預緊力非制約電極嚴密性的關鍵因素。

表2 電極密封墊預緊力試驗結果Table 2 The test results of electrode sealing specific pressure

2.2 電極組件密封面檢查

將出現蒸汽泄漏的高壓電極全部解體，檢查內部瓷套管、電極底座及鍋爐電極支座涉及嚴密性的位置，發現內部瓷套管密封面存在普遍性徑向斜紋，電極底座密封面有不同程度的貫穿性紋理，如圖3所示。

圖3 內部瓷套管及電極底座密封面Fig.3 The sealing surface of the internal porcelain sleeve and the electrode base

檢查內部瓷套管兩端的柔性石墨密封墊，發現石墨密封墊表面有不同程度的隱性裂紋，如圖4所示。因此，推測電極密封表面可能存在粗糙度過大的因素，導致組合后的電極密封墊承壓不均，致使其物理性受損。

圖4 電極石墨密封墊隱性裂紋Fig.4 The hidden crack of the electrode graphite gasket

另發現制造廠提供的相同型號的石墨密封墊，其外觀卻存在明顯差異，優質石墨密封墊具有明顯的韌性，且密封墊中間帶有增強型不銹鋼齒板，其余石墨密封墊則無該工藝，且密封墊脆性明顯，容易因彎折出現斷痕，如圖5所示。

圖5 柔性石墨密封墊差異性對比Fig.5 The difference comparison of the flexible graphite gasket

隨機選擇兩組漏汽高壓電極的電極底座及內部瓷套管進行粗糙度測定，并將其與未發生蒸汽泄漏的電極進行比對，詳見表3。

表3 電極相關密封面粗糙度測定Table 3 Planeness measurement of the sealing surface related to the electrode

綜上，可以推斷蒸汽鍋爐高壓電極密封面粗糙度是影響電極嚴密性的關鍵因素，而柔性石墨密封墊如選型不佳，容易因電極粗糙度過大而損壞，也會影響電極嚴密性。

3 高壓電極安裝工藝改進

3.1 電極密封面研磨

對試驗電極底座、內部瓷套管密封面實施研磨。密封面研磨均周向研磨，盡可能使研磨所致的微小劃痕呈類似同心圓分布，以增強柔性石墨密封墊在壓緊情況下的外移阻力，研磨后的電極組件如圖6所示。

圖6 對電極底座及內部瓷套管實施研磨Fig.6 Grinding of the electrode base and the internal porcelain sleeve

將研磨后的電極組件分別與增強型石墨密封墊及無齒板型石墨密封墊組合，安裝至電極嚴密性檢驗工裝試漏。兩組試驗在4 h后壓力均降低約0.007 MPa，未發現集中性泄漏痕跡，電極嚴密性均有明顯改善。這表明電極密封面粗糙度確是構成電極嚴密性的關鍵因素。

另外，在多次電極拆裝過程中發現，柔性石墨密封墊在常溫冷態安裝后，即使壓裝緊密，其與經過高壓蒸汽作用的密封墊仍有非常明顯的差別。柔性石墨密封墊內部密布纖維氣隙，結構疏松，在高溫高壓環境下，柔性石墨密封墊因其優越的彈性及補償效應，其密封效果將進一步增強[6]。因此，基于冷態單體試驗完善電極安裝后嚴密性經驗檢測的判據具有很強的必要性。

3.2 高壓電極冷態單體嚴密性試驗

因大型鍋爐不宜實施整體氣密性試驗，因此，嘗試通過嚴密性試驗考核單個電極安裝后的嚴密性。在圖1所示的蒸汽泄漏點2處連接充氣工裝，充壓約1.2 MPa，可對電極安裝過程容易發生碰磨的電極底座與內部瓷套管密封面實施嚴密性檢測，同時在密封面噴涂檢漏液檢漏，如圖7所示。雖然該試驗方案不能對內部瓷套管與鍋爐支座密封面進行嚴密性考核，但作為獨立引入的電極嚴密性驗證手段，效果依然非常顯著。

圖7 安裝后的電極冷態單體嚴密性檢測Fig.7 The tightness test of the electrode cold monomer after installation

經數十次試驗對比，針對鍋爐電極冷態嚴密性檢測的經驗判定依據，歸納如表4。

表4 電極冷態單體嚴密性檢驗經驗判據Table 4 The empirical criteria for tightness check of the electrode cold monomer

該蒸汽鍋爐高壓電極安裝工藝改進方案，在同型另一蒸汽鍋爐解體檢修中得到了應用。期間，鍋爐6組電極1次安裝成功并運行至今，驗證了改進工藝的有效性。

4 結束語

核電廠配置的射流式輔助蒸汽電鍋爐，其高壓電極安裝工藝對鍋爐啟動后的運行可靠性有重要影響。通過改善電極組件密封面粗糙度，選擇優質柔性石墨密封墊，并在電極安裝后實施電極冷態單體嚴密性檢測，可將現有高壓電極安裝期間單純的經驗性工藝，轉化為指標量化、定性特征明確的技術性判據。該方案能有效提高輔助蒸汽電鍋爐高壓電極安裝質量，顯著提升蒸汽電鍋爐啟動成功率，確保其持續安全穩定運行。