一種熱電偶機(jī)械密封裝置模擬體的設(shè)計

董壯壯

江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222000

0 引言

核能作為一種清潔、高效的能源形式,在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。國內(nèi)多家核電廠采用M310型壓水堆核電技術(shù),在反應(yīng)堆頂蓋貫穿處有一熱電偶機(jī)械密封裝置,可實現(xiàn)一回路邊界的密封以及在換料拆開封頭時斷開熱電偶接線的功能,其可靠性對于核電站一回路主系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。國內(nèi)外同類型壓水堆核電站熱電偶密封邊界均發(fā)生過密封失效泄漏事件,影響反應(yīng)堆檢修的安全質(zhì)量,耽誤大修關(guān)鍵路徑。

熱電偶的機(jī)械密封涉及多道密封,現(xiàn)場實際工作空間狹小、環(huán)境劑量較高,對操作人員的熟練度及可靠性要求極高。現(xiàn)在的反應(yīng)堆檢修人員流動性大,且日常核電機(jī)組運(yùn)行期間,熱電偶機(jī)械密封在核島內(nèi),為不可達(dá)區(qū)域,無法有效進(jìn)行針對性培訓(xùn)。

本文針對以上問題,研究設(shè)計了一套能夠高度還原現(xiàn)場操作、帶有升壓功能并能對機(jī)械密封效果進(jìn)行即時驗證的模擬操作平臺,可應(yīng)用于維修人員研究熱電偶密封失效機(jī)理,提升維修人員對熱電偶密封失效機(jī)理的認(rèn)知,進(jìn)而提升熱電偶密封裝置密封操作的可靠性和安全性,降低一回路壓力邊界的泄露風(fēng)險,保證核電機(jī)組安全有效運(yùn)行。

1 熱電偶機(jī)械密封裝置模擬體結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計

熱電偶機(jī)械密封裝置模擬體主要由熱電偶模擬體和水壓試驗裝置2個部分組成(見圖1)。通過現(xiàn)場測繪、3D掃描等方式確定各零部件尺寸,并設(shè)計了配套的水壓試驗裝置,保壓情況可通過屏幕實時觀察,實現(xiàn)安裝效果的可視化。可模擬現(xiàn)場工況安裝熱電偶密封裝置,安裝完成后可對密封裝置進(jìn)行水壓試驗以測試和評估安裝密封效果。

單位:mm

1.1 熱電偶模擬體設(shè)計

熱電偶試驗?zāi)M體外形尺寸為1 413 mm×694 mm×1 873 mm,整體結(jié)構(gòu)由機(jī)械承載裝置和試驗承壓裝置部分構(gòu)成。其中機(jī)械承載裝置包括圍擋板(透明防護(hù)罩)、模擬體柜體、模擬體底座、水箱;試驗承壓裝置部分包括壓力罐、壓力罐托座、卡箍、螺柱、螺柱擋塊、螺母、密封環(huán)、頂緊環(huán)、頂緊墊環(huán)、倒密封墊、陰法蘭、陽法蘭、半卡環(huán)、頂緊螺釘、模擬熱電偶柱。

模擬體柜體框架主體由40 mm×40 mm×4 mm的不銹鋼方管組成,通過焊接工藝成型,柜體面板選用厚度為1.2 mm的不銹鋼板材,通過“剪-沖-折”的加工方式加工成相應(yīng)規(guī)格,采用焊接工藝與框架主體進(jìn)行連接。框架承重層配有加強(qiáng)筋作為額外的支撐來保證足夠的強(qiáng)度,其中的承重層板材選用厚度為5 mm的不銹鋼板材,不銹鋼板材與框架也通過焊接工藝連接。柜體側(cè)方設(shè)置有柜門,柜門與模擬體柜體通過鉸鏈的方式連接。

模擬體底座的主體結(jié)構(gòu)框架由40 mm×40 mm×4 mm的不銹鋼方管構(gòu)成,外部面板為厚度2 mm的不銹鋼板材,面板全部采用“剪-沖-折”工藝成型。模擬體底座上另外還設(shè)置有4個吊環(huán)座和4個腳輪座,其中每個吊環(huán)底座可以安裝1個M20吊環(huán),每個腳輪座上安裝1個萬向腳輪。主體框架和外部面板均通過焊接工藝形成整體。

防護(hù)罩主體結(jié)構(gòu)為厚度2 mm的不銹鋼材,經(jīng)折彎工藝后與下方6個加強(qiáng)板一起焊接在上承板上。

熱電偶柱部分僅用于外形展示,不具備實際功能,按與真實部件接近的尺寸在上部堵頭上均布焊接。

模擬體的承壓部件設(shè)計用于實現(xiàn)模擬反應(yīng)堆壓力容器冷態(tài)運(yùn)行壓力,驗證熱電偶安裝的正確性,須具有承壓功能,安裝后可進(jìn)行水壓試驗。

其余部件參照核電廠真實熱電偶機(jī)械密封部件進(jìn)行還原,其中倒密封墊及密封環(huán)是熱電偶密封裝置中最重要的2道密封。二者均為非標(biāo)進(jìn)口部件,真實倒密封墊材料為Z2CN18-10(奧氏體不銹鋼),真實密封環(huán)材料為X6NiCu147-04(馬氏體不銹鋼),采取測繪加3D掃描的方式實現(xiàn)最大程度還原。

1.2 水壓試驗裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計

水壓試驗裝置由儲液箱、循環(huán)泵、排液泵、電動閥、電磁閥、流量計、壓力傳感器及其他零配件組成,配備了1套水壓試驗控制系統(tǒng),可實現(xiàn)對系統(tǒng)的充水、排氣、升壓、保壓、降壓和泄壓的功能,通過顯示屏人機(jī)界面直接操作升壓等過程,具備水壓監(jiān)控功能,可顯示壓力隨時間的變化曲線,同時支持高低壓報警顯示,可儲存歷史信息。

水壓試驗控制系統(tǒng)采用人機(jī)交互的觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)控制,將水壓試驗及壓力監(jiān)控的功能集成于屏幕上,以提高系統(tǒng)的自動化控制和監(jiān)控能力。該系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計了各種控制界面,以確保操作人員可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)操作,并且強(qiáng)調(diào)了在高風(fēng)險操作時的安全性和風(fēng)險管理。水壓試驗裝置系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 水壓試驗裝置系統(tǒng)

1.2.1 功能設(shè)計

1)系統(tǒng)啟動。將外部管道連接完成后并將儲水箱溶液補(bǔ)充完成,系統(tǒng)進(jìn)行自檢,檢測各項傳感器及電氣元件,無故障時從屏幕上設(shè)定壓力值點(diǎn)擊“保壓”按鈕即可自動開始排氣及升壓保壓工作。

2)排氣保壓。接收指令后系統(tǒng)進(jìn)行排氣保壓工作,關(guān)閉電動針閥1,打開電動針閥2、電動針閥3、電動針閥4,開始排氣,在流量計2檢測到水流量后系統(tǒng)判斷為排氣完成,關(guān)閉電動針閥4開始加壓,通過階段性PID控制調(diào)解電動針閥3的關(guān)閉,保證壓力上升速率平穩(wěn),通過檢測壓力傳感器2、壓力傳感器5、壓力傳感器3或壓力傳感器4的數(shù)值判斷壓力是否達(dá)到設(shè)定值。壓力傳感器1、2、5為高壓檢測傳感器,量程為25 MPa;壓力傳感器3、4為中壓傳感器,量程為6 MPa。其中壓力傳感器2、壓力傳感器3為主傳感器;壓力傳感器1、壓力傳感器4、壓力傳感器5為輔傳感器,用于矯正及偏差判斷。加壓壓力低于5.5 MPa時使用壓力傳感器1、壓力傳感器3、壓力傳感器4檢測壓力;加壓壓力大于5.5 MPa時使用壓力傳感器1、壓力傳感器2、壓力傳感器5檢測壓力。壓力到達(dá)需要壓力后關(guān)閉電動針閥2進(jìn)行保壓計時(屏幕上實時顯示保壓時長,時長到要求后進(jìn)行聲光提示),并關(guān)閉加壓泵。

3)補(bǔ)壓。如果保壓中途需要進(jìn)行補(bǔ)壓操作,點(diǎn)擊屏幕上“補(bǔ)壓”按鈕,接收指令后系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)壓,打開電動針閥3并啟動加壓泵,再緩慢關(guān)閉電動針閥3直至壓力傳感器1檢測的壓力與系統(tǒng)內(nèi)壓力相近,然后打開電動針閥12進(jìn)行補(bǔ)壓,補(bǔ)到設(shè)定壓力后關(guān)閉電動針閥2重新進(jìn)行保壓計時,并關(guān)閉加壓泵。

4)泄壓排水。試驗完成后點(diǎn)擊屏幕上“泄壓”按鈕,接收指令后緩慢打開電動針閥4進(jìn)行泄壓,泄壓完成后保持電動針閥4為開啟狀態(tài),打開電動針閥1并啟動排液泵進(jìn)行排液,通過流量計1檢測容器中溶液是否排放完成,排放完成后關(guān)閉排液泵。

5)風(fēng)干。泄壓完成后手動啟動空氣壓縮機(jī)并打開進(jìn)氣及排氣閥門進(jìn)行風(fēng)干。

1.2.2 界面設(shè)計

水壓試驗控制系統(tǒng)主要通過人機(jī)交互的觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)控制,各界面功能設(shè)計如下。

1)啟動界面。系統(tǒng)上電后,觸摸屏軟件自動啟動,并進(jìn)入啟動界面,在啟動界面顯示高壓風(fēng)險警示并提示輸入登錄賬號密碼。

2)主界面。主界面為系統(tǒng)正常操作的默認(rèn)界面(見圖3)。主界面主要顯示管路系統(tǒng)的泵閥開閉狀態(tài)、流量和壓力數(shù)據(jù)等。當(dāng)泵閥打開后,主界面可以實時動態(tài)顯示相應(yīng)水路流動情況,操作過程中,當(dāng)管系中有水流動時,觸摸屏上可實時動態(tài)顯示管內(nèi)水流方向。觸摸屏下方有“報警瀏覽”“參數(shù)設(shè)置”“存盤瀏覽”“曲線顯示”“狀態(tài)監(jiān)控”以及回主頁按鈕,點(diǎn)擊按鈕,可以進(jìn)入相應(yīng)操作界面。

圖3 水壓試驗控制系統(tǒng)主界面

3)報警瀏覽。報警瀏覽可以實時顯示報警時間、報警名稱、報警類型、報警值以及報警處理時間。

4)參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面可以實時顯示當(dāng)前管系壓力、流量、閥門開度值等參數(shù)。

5)存盤瀏覽。存盤數(shù)據(jù)界面可以顯示當(dāng)前存儲數(shù)據(jù)值、系統(tǒng)有空間可存儲壓力時間曲線等試驗相關(guān)數(shù)據(jù),同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出。

6)曲線顯示界面。水壓試驗裝置設(shè)置有水壓監(jiān)控軟件,可獲得水壓試驗過程中系統(tǒng)壓力隨時間的變化曲線,便于對泄漏率進(jìn)行定量評估。

7)狀態(tài)監(jiān)控界面。狀態(tài)監(jiān)控界面可以實時顯示控制系統(tǒng)當(dāng)前IO通道信息。

2 試驗過程及步驟設(shè)計

本模擬體可以全方位模擬熱電偶機(jī)械密封的實際拆裝過程,并模擬核電機(jī)組一回路升壓過程和冷態(tài)運(yùn)行工況,驗證熱電偶機(jī)械密封安裝的可靠性。

2.1 安裝拆卸操作

熱電偶模擬體、水壓試驗裝置各模塊布置完成后,按如下步驟進(jìn)行熱電偶安裝:密封面及螺紋處涂抹潤滑脂;取下保護(hù)套管;將模擬儀表柱上部外表面及周邊擦拭干凈,陰法蘭和模擬儀表柱臺肩等密封面上涂抹潤滑脂;將密封環(huán)裝到陰法蘭上,將倒密封墊裝在模擬儀表柱臺肩上;安裝陽法蘭、卡箍;依次安裝頂緊墊環(huán)、頂緊環(huán)、半卡環(huán)及6個頂緊螺釘;卡箍螺母及6個頂緊螺釘用鎖緊鋼絲鎖緊。拆卸操作為以上步驟的逆過程。

2.2 水壓試驗

1)檢查確認(rèn)熱電偶機(jī)械密封已全部安裝完成。

2)檢查所有電線、水管連接正確、安全可靠。

3)檢查控制系統(tǒng)各按鈕處于關(guān)、停狀態(tài)。

4)系統(tǒng)啟動。將外部管道連接完成后并將儲水箱溶液補(bǔ)充完成,開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行自檢,檢測各項傳感器及電氣元件,無故障時從觸摸屏上設(shè)定目標(biāo)壓力值。

5)充水排氣升壓。點(diǎn)擊“保壓”選項后,系統(tǒng)自動完成充水、排氣、加壓流程,壓力到達(dá)設(shè)定目標(biāo)壓力后進(jìn)行保壓計時,屏幕上實時顯示保壓時長,時長到達(dá)要求后進(jìn)行聲光提示。

6)保壓過程中根據(jù)壓力時間曲線等數(shù)據(jù)評估本次熱電偶機(jī)械密封裝置安裝效果。

7)泄壓排液。評估完成后點(diǎn)擊屏幕上“泄壓排液”選項,系統(tǒng)自動完成泄壓、排液操作,無需人員干預(yù)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套先進(jìn)的熱電偶機(jī)械密封裝置模擬體,能夠在實際應(yīng)用中還原熱電偶機(jī)械密封裝置的現(xiàn)場操作情形,還可通過水壓試驗裝置、人機(jī)交互界面模擬壓力容器的升壓以及運(yùn)行過程,對機(jī)械密封的安裝效果進(jìn)行驗證,實現(xiàn)一個完整、閉環(huán)的培訓(xùn)過程。該設(shè)計對于培養(yǎng)先進(jìn)的核電檢修隊伍,從而提高一回路密封質(zhì)量、確保機(jī)組運(yùn)行安全、減少大修關(guān)鍵路徑具有重要的意義。