三代核電大口徑爆破閥檢修工藝研究

韓 杰，廖 明

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

0 引言

AP1000 第三代壓水堆核電廠在低壓安注以及安全殼再循環管線上設置了8 臺爆破閥，這些閥門的作用是在事故工況下執行安注和安全殼非能動再循環相關功能。根據ASME OM 規范要求，每個換料周期需對每個類別的爆破閥分別抽取1 臺進行解體檢查，并10 年內完成所有爆破閥的監督試驗項目。三門核電AP1000 大口徑爆破閥是國內外壓水堆核電領域的首次應用，檢修難點如下：

（1）難以與堆芯、換料水箱隔離，排水檢修會至少增加7 d以上大修工期。

（2）檢修空間狹窄、干涉物項多、倒運路徑受限，導致爆破閥解體檢查無法開展。

（3）薄弱零部件拆裝過程中必須避免引入隱形損傷，以防止運行過程中閥門失效導致重大核事故。

（4）裝料前設工序，次關鍵路徑，工作繁重、工期壓力大。

為保證AP1000 機組運營滿足法規要求，并具有良好的經濟性，有必要綜合分析爆破閥的檢修空間，創新研制實用的新型專用檢修設備，設計爆破閥檢修工藝，解決爆破閥檢修困難、工序復雜等技術難題。

1 冰塞隔離支持爆破閥檢修

通過研發高效率熱交換冰塞夾套，設計冰塞隔離工藝，解決系統無法隔離的關鍵問題。可以使液氮使用量減少1/2。實驗驗證冰塞隔離可靠，很大程度避免了冰塞工作期間液氮供應不足的問題，降低冰塞失效風險。

1.1 爆破閥冰塞隔離介紹

爆破閥檢修工作的窗口為卸料完成后，換料水池處于滿水狀態，主管線上無隔離閥提供有效隔離，低壓安注爆破閥的入口側同堆芯直接連通。4 臺低壓安注爆破閥的安裝位置均低于此時的水位，且4 臺再循環爆破閥位于安全殼內置換料水箱（IRWST）至再循環濾網之間，安全殼內置換料水箱（IRWST）均處于滿水狀態，如執行排水檢修預計增加大修工期7 d 以上，同時還需考慮后續配置硼水和系統回充，主線延長時間會更久。

爆破閥冰塞隔離位置如圖1 所示，通過冰塞可將爆破閥與堆芯、IRSWT 隔離開，實現閥門的檢修。

圖1 爆破閥冰塞隔離位置

1.2 爆破閥冰塞隔離的風險

1.2.1 管道破裂的風險

冰塞過程中，管道內的水結冰后體積增大，會在冰塞夾套安裝位置和爆破閥之間的管道內部產生很高的壓力。由于爆破閥的剪切蓋為薄弱設計，管道內部壓力過高會造成剪切蓋薄弱連接處產生變形甚至斷裂。

1.2.2 管道焊縫裂紋擴展

由于管道焊縫內存在殘余應力區，過大的溫差應力會促使殘余應力增大，引起管道裂紋延展。為防止焊縫內部組織產生裂紋，冰塞一般需選擇在水平或者豎直管道上，距離焊縫的距離應為2 倍管徑或者300 mm 以上，取其中大者。由于爆破閥設計階段未識別出需要冰塞，因此未考慮冰塞位置，現場實際管道焊縫距離冰塞距離最小只有100 mm，且由于冰塞管徑為8″，冰塞時間長、溫度低，管道焊縫內部有可能產生裂紋甚至破裂。

管道上溫差產生的軸向應力和徑向應力可以通過公式（1）計算：

式中 α——線膨脹系數，℃-1

E——彈性模量，MPa

ΔT——長ΔHz兩端的軸向溫差，℃

R——圓筒半徑，m

δ——圓筒壁厚，m

μ——泊松比

另外，根據文獻［1］的試驗數據，可以看出冰塞溫度梯度產生的材料應力最高可達236 MPa，已超過304 不銹鋼室溫下的屈服強度（205～210 MPa）（圖2）。

圖2 冰塞低溫對管道材料產生的應力

1.2.3 冰塞失效的風險

冰塞過程中無法直接監測管道內部的結冰情況，只能通過測量冰塞夾套兩側管道溫度和監測冰塞夾套和管道上的結霜情況來輔助判斷。這個過程中可能由于監測不到位、液氮供應中斷等原因，導致管道內結冰融化、冰塞隔離失效。由于爆破閥與堆芯、IRWST 直接相連，且為低低水位以下，冰塞隔離失效后，堆芯和IRWST 內放射性介質流出，會將11300 房間以下全部淹沒，相當于堆芯熔毀、低壓安注投入的工況，且堆芯此時如處于換料期間還會導致燃料失水裸露，將造成災難性的后果。

1.3 提高爆破閥冰塞可靠性的方法

1.3.1 冰塞隔離工藝優化

在冰塞和爆破閥之間的管道上設置壓力表，一方面可以通過監測介質結冰后體積膨脹導致的壓力升高來輔助判斷冰塞形成情況，另一方面可以排泄過高的壓力，防止管道、爆破閥的剪切蓋因超壓而破裂。

冰塞前后對選定的冰塞管道和焊縫進行超聲波UT 和表面無損檢測，確認管道、焊縫的表面和內部均無凹坑和裂紋等缺陷，防止冰塞過程中管道應過大的應力導致突然破裂。實時監測焊縫的溫度，通過控制液氮輸送量來調節管道的溫度，控制焊縫處溫度高于-50 ℃，避免材料迅速降溫而脆化，能過有效避免管道因低溫而發生破裂。

1.3.2 研發高效冰塞夾套

常規的冰塞夾套內部為空心的，液氮氣化時體積急劇膨脹，夾套內部壓力上升，加快了液氮在夾套內部的流速，大量的液氮從夾套排氣口噴出，傳熱效率很低。此種冰塞夾套會延長冰塞形成時間，消耗大量液氮。在以往的冰塞失效案例中，絕大部分都是由于液氮供應不足導致。由于現場空間和通道狹窄，液氮搬運非常困難，存在液氮供應中斷的風險。

冰塞換熱效率η 可以通過公式（2）計算：

式中 C——與管徑、介質溫度、環境溫度相關的系數

h——冰塞形成的時間，min

Q——冰塞形成時的液氮消耗量，L

通過對換熱器的研究，設計出高換熱效率冰塞夾套（圖3）。高效率冰塞夾套內部采用配置有折流板，用于增加液氮流動阻力，降低液氮流動速度，提高液氮的使用效率。夾套外部設置有高效率保溫層，有效防止液氮的熱量從夾套外部散失。經現場實際驗證，冰塞效率較普通夾套明顯高出2～3 倍。

圖3 夾套內部結構

2 爆破閥極限位置空間轉運

2.1 11206 房間爆破閥吊裝

11206 房間內共計4 臺爆破閥，2 臺再循環爆破閥采用并列的方式，安裝于上部，另2 臺低壓安注爆破閥并列安裝于再循環爆破閥的下部（圖4）。下部2 臺爆破閥正上方存在水平方向的干涉管線，此管線直接干涉下部2 臺爆破閥從上部2 臺爆破閥的安裝位置吊出。為避開干涉管線吊裝下部2 臺爆破閥，需要設計特殊的吊裝工藝。通過對現場實際環境勘測及首次大修的吊裝經驗，將爆破閥按圖5a）～圖5f）的順序轉運出11206 房間運輸至檢修場地。

圖4 11206 房間現場設備布置

圖5 11206 房間吊裝路徑示意

2.2 11207 房間爆破閥吊裝

11207 房間爆破閥正上方設置爆破閥專用吊裝孔，吊物孔正上方無吊點，無法將爆破閥從吊裝孔吊出。下部2 臺爆破閥正上方存在干涉鋼結構與干涉法蘭，吊裝難度較大、工藝復雜（圖6、圖7）。上部2 臺并列安裝的爆破閥可利用爆破閥專用吊具直接吊出（圖8），并利用爆破閥專用運輸小車轉運至檢修場地（圖9），進行解體檢修維護。

圖6 11207 房間現場設備布置

圖7 11207 房間吊裝路徑示意

圖8 專用吊具

圖9 運輸小車

底部并列安裝的2 臺爆破閥拆除檢修，需要繞過干涉管線及干涉法蘭，從上部爆破閥安裝位置處吊出，完成解體檢修工作。

3 爆破閥解體檢修工藝

3.1 進出口剪切蓋拆裝

剪切蓋水平鑲嵌于閥體內，剪切蓋與閥體配合間隙小（圖10、圖11）。剪切蓋全部表面光潔度不低于Ra3.2，表面平整光滑，現有工具無法完成拆除及回裝工作。

圖10 剪切蓋吊裝工具

圖11 剪切蓋安裝方法

通過設計研發吊裝盤專用工具，吊裝盤通過螺栓固定至剪切蓋出口，上部安裝吊耳進行吊裝工作，外側通過螺紋連接手柄。利用起重機平衡專用工具及剪切蓋的全部重量調整上部、下部間隙一致。以吊點為支點調整專用工具手柄，使剪切蓋中心線在同一條直線上，水平移動起重機，實現剪切蓋的拆除。

3.2 定位桌

爆破閥閥蓋與活塞通過拉伸螺栓相連接，當爆破閥解體后，閥蓋與活塞一同吊出，內部起連接功能的拉伸螺栓設計為雙頭反向螺紋，且拆除及安裝拉伸螺栓的專用工具需在拉伸螺栓底部向上安裝使用。

定位桌的主要功能是拆除拉伸螺栓進行檢測及尺寸測量（圖12）。將爆破閥閥蓋、拉伸螺栓、活塞組件拆除后，放置于至定位桌上，矩形定位孔在桌面的固定下能夠防止活塞轉動。桌面上成圓周均勻分部的4 個定位孔用于閥蓋防轉定位，利用定位銷進行固定防止閥蓋發生轉動，通過旋出位于中間的拉伸螺栓，實現活塞、閥蓋組件的解體和拆裝。

圖12 活塞和閥蓋拆裝桌

3.3 螺紋套專用工具

活塞內部的螺紋套為大規格英制螺套，且為深孔安裝，安裝難度非常大，目前市場上全部的螺套安裝工具均不能滿足使用要求（圖13a））。根據模擬驗證及相關試驗，設計研發爆破閥螺套專用工具，良好地解決了螺套無法準確安裝的問題（圖13b）、圖13c））。

圖13 螺套及安裝工具

3.4 炸藥專用試驗裝置

爆破閥炸藥桶點火的試驗周期為每次大修期間，至少選取同種型號藥筒在本機組在裝數量的20%進行試驗，以抽樣驗證每種規格型號的藥筒均能執行其設計功能。炸藥點火試驗需要將炸藥從爆破閥本體拆除，閥本體外模擬點火信號，實現炸藥起爆，同時采集相關信號。

根據炸藥桶結構設計制作炸藥試爆專用裝置，完成炸藥點火信號觸發、測藥筒發火時間、壓力峰值等相關試驗數據的采集，并根據試驗數據判斷藥筒的點火試驗是否合格（圖14）。

圖14 藥筒試驗裝置

4 結束語

開發爆破閥檢修工藝，可靠執行爆破閥全部在役檢查內容，并能指導完成全部爆破閥解體檢查在役試驗全部內容。有效的冰塞隔離能夠避免一回路大量排水，高效執行爆破閥檢修工作，為大修主線節省寶貴的時間。專用設備的開發將支持爆破閥檢修工藝，保證爆破閥在役期間功能正常。檢修工藝的設計開發，實現了AP1000爆破閥的自主檢修。