重水堆核電機組燃料通道高壓自緊式法蘭密封失效原因分析

韓鵬

(中核核電運行管理有限公司 浙江嘉興 314300)

秦山第三核電廠重水堆的燃料通道安裝于反應堆排管組件中，其作用是定位并支撐燃料棒束，通過重水冷卻劑在主熱傳輸系統中循環，將燃料通道中的核燃料裂變產生的熱量傳遞到蒸汽發生器二次側的輕水[1]。每根燃料通道中都有一根鋯合金壓力管，壓力管兩端通過脹接與端部件相連。端部件為壓力管的堆外延伸部分，其有兩個功能。具體敘述如下。

（1）作為裝卸料機裝換燃料的接口，端部件內裝有密封塞，不換料狀態下由密封塞來確保一回路壓力邊界的完整性；在機組需要進行裝換料時，由裝換料機和端部件E面進行對接，并通過裝卸料機拆除密封塞裝入料倉，同時端部件E面和裝卸料機對接處形成一道密封，將一回路壓力邊界延伸到裝卸料機的密封腔室。（2）端部件另一個作用是通過高壓自緊式法蘭和熱傳輸支管相連，為冷卻劑通向壓力管提供接口，主系統冷卻劑進入燃料通道后，在端部件和襯管之間的環形空間內，從位于內側端的襯管的孔流入壓力管中，流過壓力管中的燃料棒束后，將冷卻劑中吸收的熱量從另一側端部件連接的熱傳輸支管排出。

高壓自緊式法蘭作為一回路的壓力邊界，一旦密封失效會產生PHT 重水泄漏，造成主系統冷卻劑裝量損失，同時造成核島內的氚水平上升，對于重水堆機組而言，氚水平一旦超過標準，就必須停機停堆對缺陷進行徹底處理。所以燃料通道高壓自緊式法蘭的性能對于重水堆機組安全穩定運行非常重要，必須對其密封失效機理進行分析，才能在運行和維修中采取相應的應對措施，以保證其密封可靠性。

1 高壓自緊式法蘭密封原理分析

秦山第三核電廠采用的高壓自緊式法蘭是XXX公司生產的用于管道密封的緊湊型法蘭，主要由端部件法蘭、密封環、套節、方形法蘭以及聯接螺栓這5 個部件組成。高壓自緊式法蘭是其密封環在兩次機械外力作用下，形成一個幾何變形彈性密封[2]。（1）初始密封。密封環密封面與套節密封面產生接觸壓強，形成要求的密封比壓，從而起到密封作用。高壓自緊式法蘭在開始裝配，但螺栓未緊固的情況下，套節密封面與密封環的“唇”已經接觸，但套節與密封環“筋”的配合面間仍保留一定間隙，螺栓緊固后間隙消除，套節與密封環“唇”形成過盈配合，配合面產生了接觸壓強，同時密封環的“唇”產生彈性收縮變形，形成初始密封。（2）自緊密封。當系統內沖入帶壓介質時，在介質壓力下使密封環“唇”與套節間密封面接觸壓強增大，密封比壓隨系統壓力增大而增大，從而產生自緊密封。由于高壓自緊式法蘭密封環“唇”的彈性變形有回彈能力，且“唇”有進一步發生彈性形變的余地，能保證介質壓力波動及外力作用條件下的可靠密封。

2 分析方法簡要介紹

秦山第三核電廠重水堆機組燃料通道高壓自緊式法蘭的密封方式，是依靠聯接螺栓的拉緊力，帶動方形法蘭對密封環施加壓緊力，其密封是依靠密封環“唇”的環錐面通過徑向壓縮、擴張，從而使“唇”與套節密封面和端部件法蘭密封面形成了一定的過盈配合產生接觸壓強。該文將從高壓自緊式法蘭的部件性能、系統工況、維修活動3個方面對其密封失效原因進行分析。

3 密封失效原因分析

3.1 部件對密封性能的影響

燃料通道高壓自緊式法蘭作為核1 級設備部件，從設計上要求具有足夠的機械強度、良好的耐腐蝕性能和可靠的密封性能，同時作為密封部件本身的性能對保證密封性能的可靠性起到決定性作用。在結構中螺栓屬于主要受力部件，方形法蘭屬于輔助受力部件，端部件法蘭、密封環、套節屬于密封部件，所以其中任何一個部件失效都會造成高壓自緊式法蘭的泄漏[3]。

3.1.1 密封環材料性能分析

分析：通過計算證明在燃料通道正常運行壓力11.8 MPa下，高壓自緊式法蘭最小維持密封的密封比壓為76.7 MPa，計算密封比壓為294 MPa。密封環為410SS 馬氏體不銹鋼，其抗拉強度為758.4 MPa。密封環機械性能遠高于在運行工況下的密封比壓。所以只要密封環的材料、熱處理工藝、試驗檢查等嚴格按照規范和標準要求，可以排除密封環機械性能不足導致密封失效。

3.1.2 部件加工精度對密封性能的影響

分析：套節、端部件法蘭的密封面都是在其錐面上，在平行于套節中心線的方向上，從平面到密封區域的遠邊緣進行測量時，其延伸范圍在0.085"～0.250"之間，密封區域寬度為0.175"。金屬密封環是精密加工件，其中錐面密封部分角度是從16°±30′階梯形過渡到19°±30′。和其他機械密封結構一樣，高壓自緊式法蘭密封部件的加工精度會直接影響其密封性能，如密封環“唇”角度偏差、套節角度偏差、密封面光潔度不滿足要求等，都可能會導致密封面受力不均、密封比壓下降等，所以可以直接判斷密封部件的加工精度是可能造成高壓自緊式法蘭泄漏的原因之一。

應對措施：對于已投入運行重水堆機組而言，需要重點關注的就是機組壽期內燃料通道高壓自緊式法蘭的維修活動，在其維修工藝中，只需要對研磨后密封面的光潔度、垂直研磨量進行的檢查。但密封環是可拆除部件，采用直接更換的方式，故需要重點對新密封環的可靠性進行檢查，根據技術規格書要求，密封環“唇”跳動允許在0.010"以內，表面粗糙度不超過0.8 μm。

3.2 系統工況對密封性能的影響

3.2.1 外部應力影響

分析：聯接螺栓是結構中的主要受力部件，為沉淀硬化鎳鉻鐵合金（ASME SB637 UNS N07718），其材料的抗拉強度、屈服強度要遠遠高于其他部件，從失效檢查情況來看，均未發現聯接螺栓出現明顯蠕變，故說明螺栓性能較為可靠[4]。但是在長期運行過程中熱傳輸支管的支吊架、支承件也可能會出現一定程度塑性變形，加上機組在運行和停堆模式切換下的熱脹冷縮作用，這很可能會導致部分外部附加的拉伸和彎曲應力作用在高壓自緊式法蘭上，為克服這一部分外力作用也會抵消掉連接螺栓的一部分預緊力，對密封性能也是一種削弱因素。

應對措施：在機組大修期間對支吊架、支撐件狀態進行在役檢查，及時消除外部附加的作用力。

3.2.2 螺栓疲勞

分析：目前秦三廠機組運行20年，在機組大、小修時高壓自緊式法蘭螺栓會在冷態、熱態切換，過程中可能會產生交變應力，這是造成螺栓疲勞的一個條件。但高壓自緊式法蘭螺栓材料本身具有很高的抗疲勞性能，同時目前國際上重水堆核電機組在壽期內從未發生過螺栓疲勞導致密封失效的案例，故排除螺栓疲勞因素。

3.2.3 介質對密封部件的腐蝕

分析（1）：重水堆機組一回路中的介質是高純度重水，熱傳輸支管和套節都為碳鋼材質，這也要求系統介質必須控制在滿足系統工況要求又要保持在對碳鋼腐蝕最小化的環境。如果過多的氧氣溶解在一回路介質中就會導致介質中的溶解氧含量高偏高，從而造成管道、設備加快氧化腐蝕。

應對措施：對一回路中溶解氧的含量進行有效控制，通過對一回路補充氫氣（氘氣）、氧氣使其關系平衡，將一回路溶解氧指標控制在≤10 μg O2/kg D2。

分析（2）：重水堆機組一回路的介質是設計在弱堿性環境下運行，當pH值在4.0以下，碳鋼表面保護膜被溶解，水中氫離子濃度增加發生析氫反應，腐蝕速度急劇增加；當pH值在5～9之間時，腐蝕速度處于一個平緩穩定的趨勢，當pH值超過10之后，此時在金屬表面形成氫氧化物保護膜覆蓋形成鈍化作用，腐蝕速度出現下降。當pH 值達到14 時，氫氧化物保護膜會轉化成可溶性鐵酸鹽，腐蝕速度由又重新上升。

應對措施：化學部門對一回路冷卻劑的PHA值做好取樣監測，通過系統加氫氧化鋰，確保冷卻劑在恢復堿性環境并能對碳鋼材料起到保護作用。

3.2.4 電位腐蝕

由于密封環為不銹鋼材質（電極電位?0.74 V），套節為碳鋼材質（電極電位?0.037 V），兩者之間存在一定的電位差，匹配在一起使用后由于電位差的存在，會加速鈍化膜的破壞，但是套節是熱傳輸支管的一部分，選材上需要保持良好的安裝、焊接性能，所以無法替換，故電位腐蝕無法避免。但是從失效案例來看，目前在國際上重水堆核電機組壽期內均未出現過單一電位腐蝕導致高壓自緊式法蘭密封失效案例。故不作為導致泄漏的可能原因。

3.3 檢修活動對密封性能的影響

3.3.1 氧化腐蝕

分析：在某些特殊情況下，特別是系統長時間停堆檢修過程中主熱傳輸系統的開口維修活動，如壓力管更換、高壓自緊式法蘭拆裝等都需要使用冰塞作為隔離邊界，這種狀態不同于機組建造時期各密封部件可以在一個相對干燥的環境下安裝。即使管道進行了疏水，但是受冰塞、管壁上余水的影響開口處濕度較大，套節碳鋼表面會直接和空氣接觸，發生氧化腐蝕的概率很高[5]。

應對措施：為了避免碳鋼部件在檢修過程中氧化腐蝕，在打開高壓自緊式法蘭后，要及時在套節和端部件法蘭密封面上涂抹鋰基潤滑脂來隔絕密封面和空氣直接接觸，防止密封面的氧化腐蝕。

3.3.2 部件的清理檢查不足

分析：目前核電站都是建設在沿海地區，空氣中含有較高的氯離子，所以機械部件必須有良好的儲存環境，密封部件在加工制造及檢測后清理不干凈，表面殘存的化學物質也可能導致部件在儲存過程中產生表面的腐蝕[6]。

應對措施：在維修規程中明確密封部件表面腐蝕情況檢查要求，同時明確部件清潔使用丙酮作為清洗劑。

3.3.3 密封環沒有“坐平”

分析：在燃料通道高壓自緊式法蘭密封結構中，合格的上下兩道密封線應該是兩個一定寬度并且完整的圓周線，而且密封環與端部件法蘭和套節法蘭沒有相對運動。但不排除會由于安裝的某些原因，導致兩道密封線并不是完全的圓周線，或為橢圓線，或密封線的寬度不等，甚至部分位置可能發展到完全斷開，即密封環“唇”的受力不均或某一部分集中受力，這就會導致密封失效并產生泄漏。在高壓自緊式法蘭裝配結構中，套節、金屬密封環以及端部件法蘭這3個部件是一個三段式的組合，當3個部件的同心度出現偏斜，就會出現密封環不能“坐平”在套節和在端部件法蘭密封面上，并導致密封線的橢圓化。

應對措施：密封環在裝配時沒有“坐平”問題，在裝配前的測量和檢查階段以及裝配完成后的壓力試驗階段也都可以發現，不會帶入系統運行狀態下。通過秦三廠對燃料通道高壓自緊式法蘭安裝試驗，控制密封環的坐平可以采用以下方式：（1）在密封環安裝到端部件法蘭時，使用兩個厚度為0.01"長條形墊片，對稱放在密封環“筋”和端部件法蘭平面之間，消除密封環“筋”和端部件法蘭平面之間的間隙以及可擺動的角度，以保證密封環在端部件法蘭上“坐平”；（2）和套節連接后，取出厚度為0.01"的長條形墊片，再使用兩個厚度1/8"墊片放在套節平面和端部件法蘭平面之間，對稱擰緊連接螺栓直至套節平面均勻接觸到1/8"墊片后再將其抽出，這樣就可以保證密封環密封面在套節密封面上“坐平”。

3.3.4 螺栓預緊力不足

分析：由于燃料通道高壓自緊式是為重水堆堆芯結構專門進行過改造，所以不同于傳統高壓自緊式法蘭，傳統高壓自緊式法蘭的卡套為主要受力部件、螺栓為輔助受力部件，這種結構可以使其密封環在360°方向均勻受力。但是由于重水堆機組燃料通道特點和布置情況不同于普通管道，其中一個套節用端部件法蘭替代，增加了一個方形法蘭并采用了4 顆螺栓替代卡套作為唯一受力原件。

應對措施：在裝配過程中除了控制密封環的“坐平”，方形法蘭和端部件法蘭聯接螺栓預緊力也非常重要，壓緊力不足也會對泄漏產生貢獻，所以安裝的可靠性一定要將螺栓預緊力結合起來衡量。

3.3.5 過量研磨導致密封比壓降低

分析：目前針對高壓自緊式法蘭泄漏，國際上通用的維修工藝就是對套節或端部件法蘭的密封面進行研磨修復，但研磨實質性就是對密封面的垂直車削，會導致密封區域的位移，同時也會伴隨密封比壓的降低，從設計上來說套節或端部件法蘭的密封面都是有一定的研磨裕量，但是在修復過程中一旦超出研磨裕量時會造成高壓自緊式法蘭密封不嚴。

應對措施：密封面的修復是使用氣動研磨工具，根據秦三廠多次試驗得出，研磨60 s 密封面的垂直位移量在0.002"～0.003"，參照技術規格書要求密封面垂直位移量在<0.0015"和0.0015"～0.015"這兩個階段需要采取不同的維修手段，所以在維修規程中需制定研磨15 s 就進行一次密封面的檢查和測量要求，以保證不會過量車削套節密封面。

4 結論

該文主要針對燃料通道高壓自緊式法蘭，從其密封機理出發，結合部件性能、系統工況、維修活動3 個方面對影響密封性能的因素進行了詳細評價和分析。得出主要結論概括如下。（1）結合相關標準計算得出運行工況下的密封比壓，并分析對比各部件機械性能，證明密封環機械性高于工況要求；分析密封環加工精度對高壓自緊式法蘭密封性能的影響，并提出密封環檢查的要求。（2）分析一回路系統工況下，外部應力、重水冷卻劑中溶解氧含量、PHA值以及開口維修活動對高壓自緊式法蘭密封性能的影響，并提出相應的控制要求。（3）分析檢修活動中密封部件氧化腐蝕、密封環不能“坐平”、過量研磨是影響高壓自緊式法蘭密封性能的因素，并提出相應的檢修方法；通過力矩計算值和實際值對比、螺栓材料性能分析排除螺栓預緊力不足。（4）根據“4.密封失效原因分析”編制燃料通道高壓自緊式法蘭泄漏原因對照表，具體如表1所示。

表1 燃料通道高壓自緊式法蘭泄漏原因對照表

該文通過對密封性失效原因的深度分析，可以指導電廠從備件驗收、系統控制、維修實施等角度有效提高燃料通道高壓自緊式法蘭的可靠性，同時為自主研發高燃料通道高壓自緊式法蘭維修工藝提供了重要理論基礎。