乏燃料水池冷却器密封垫片结构改进

李 云，何少华，戚宏昶，王 聪，王成林，钟波灵

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

乏燃料水池冷却器密封垫片结构改进

李 云，何少华，戚宏昶，王 聪，王成林，钟波灵

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

秦山320 MW核电机组的两台乏燃料水池冷却器，已经连续运行20余年。按照预防性维修大纲要求，必须对其解体检修。经分析研究后，提出对设备原有密封垫片结构进行改进，采用局部抽芯的方式进行预防性解体检修。设备投入运行后，效果良好，无泄漏等异常情况，保证了机组的安全稳定运行。同时，也为其他类似设备的解体检修提供了思路与方法。

乏燃料水池；冷却器；解体检修；密封结构；改进

秦山320 MW核电机组乏燃料水池冷却和净化系统设有两台乏燃料水池冷却器（RSPF-S07-01A/B-SHH），用于导出乏燃料衰变热，保证水池水温始终处于设计的温度范围内，为核安全三级设备。若其发生故障，衰变热无法导出，池水升温到饱和状态后开始沸腾，水位会由于沸腾蒸发而逐渐下降，直至乏燃料完全裸露，最终将导致乏燃料熔毁等严重核事故，所以其重要性不言而喻。2011年日本福岛核事故之后，乏燃料水池冷却问题更是受到了广泛的关注。然而，该设备自1991年机组并网发电至今已经连续运行20余年，按照预防性维修大纲《乏燃料水池冷却和净化系统（RSPF）》（QWD-J-013）的要求，必须对其进行解体检修，防患于未然。

1 设备结构及方案选择

1.1 设备结构

本设备为卧式U形管热交换器，管束能整体抽出[1],如图1所示。U形管束和管板的总重量达到2 t左右，长度约为3 500 mm，直径约为800 mm。设备基本参数见表1。

图1 乏燃料水池冷却器Fig.1 Spent fuel pool cooler 1—筒体；2—管板；3—封头

表1 乏燃料水池冷却器基本参数Table1 Basic parameters of the spent fuel pool cooler

1.2 方案选择

分析研究后，有3种检修方案可供选择（见表2）。

经过评估，局部抽芯风险可控，检修成本较低，从安全性与经济性方面综合考虑，是性价比最好的一种检修方式。但是，其管板筒体侧原整体式密封垫片在局部抽芯的检修方式下无法安装，必须对其密封垫片结构进行改进。

表2 乏燃料水池冷却器解体检修方案比较Table2 Comparison between the overhaul schemes for the spent fuel pool cooler

2 难点分析

此次乏燃冷却器局部抽芯解体检查的主要难点在于管板筒体侧密封垫片的更换，原有密封采用环形整体式JC125-66 XB200灰色橡胶石棉垫片[2]，只能在整体抽芯的检修方式下进行更换，局部抽芯的检修方式决定管板筒体侧密封垫片必须为开口式。常见的开口式密封垫片为HALF式结构，即两个半环组合的结构，有两处开口。但是，开口式密封垫片相对薄弱的环节在其开口处，被密封介质易从此处泄漏。为了确保良好的密封效果，需要减少开口的数量，即单开口式密封垫片。然而，使用单开口式密封垫片存在3个技术难点：

1）受管板筒体侧法兰密封面尺寸限制，单开口式密封垫片的内外径尺寸也已经固定，分别为φ815 mm和φ855 mm，而U形管束直径略小于φ800 mm。垫片内径尺寸与U形管束直径尺寸接近，因此无法利用垫片的变形量将两个接头分离足够的空间（需要大于U形管束直径，即800 mm左右），然后从管板筒体侧的U形管束上直接进行安装。

2）单开口式密封垫片安装后，整体与U形管束的中心线基本垂直，两个接头处于竖直状态，对其进行处理时，没有约束，接头对中定位难度大，易错位。

3）U形管束回装至筒体时，要保证密封垫片处于管板筒体侧密封面中心以达到最佳密封效果，即密封垫片应与管板、筒体同心。但是在自由状态下，由于重力作用，密封垫片与管板、筒体偏心距离较大，无法处于管板筒体侧密封面中心，需要设计约束。

3 解决措施

3.1 密封垫片改进

FULTEC（金属波纹复合垫）垫片是由同心规则波纹状金属核芯两面加软性填充材料制作而成[3]。金属核芯有良好的支撑和抗压性能，波纹状结构使材料的流动性最小化，填充材料起到密封作用。目前，在石油化工等领域已得到广泛应用。

受此启发，选择力学性能良好的316L不锈钢做成波纹状金属骨架，在0°方向上设计一处对接开口，在90°和270°方向上，各加装一个“手柄”，再结合管板筒体法兰上的锁紧螺栓孔位置尺寸，在其上预留圆孔。如图2所示金属骨架简图（未画出波纹线）。在U形管束回装筒体过程中，利用锁紧螺栓穿过管板法兰上的螺栓孔、金属骨架“手柄”上的预留圆孔以及筒体法兰上的螺栓孔，保证三者同心，从而使金属骨架始终处于管板筒体侧密封面的中心。

其次，选择抗辐照性能良好的柔性石墨作为密封材料，将波纹状金属骨架开口接头进行焊接打磨处理后，再将柔性石墨条带复合其上，如图3所示。

图2 金属骨架简图Fig.2 Sketch of the metallic framework1—预留圆孔的手柄；2—接头位置；3—金属骨架

图3 密封垫片剖面图Fig.3 Cross-section of the gasket1—柔性石墨；2—波纹状金属骨架

3.2 金属骨架安装

由于U形管束的直径尺寸与金属骨架内径尺寸接近，单自由度运动无法直接安装骨架，考虑设计成双自由度运动，即利用金属骨架的弹性变形，使两个接头略微张开一定距离（仅大于管板法兰厚度45 mm即可），一个接头先穿过管板，再使整个骨架以U形管束为轴做螺旋进给运动，直至第二个接头穿过管板后，金属骨架整体就位于管板筒体之间，完成安装过程中的关键一步，如图4所示。

3.3 接头对中定位

单开口式金属骨架安装完成后，与U形管束的中心线基本垂直，即两个接头处于竖直状态，有3个自由度运动方向，进行焊接连接时，对中定位难度大于其处于水平状态之时。为了保证竖直状态下，两个接头焊接的对中定位精度，设计了专用夹具。该工装由两块钢板与一只锁扣组成，两块钢板焊接组合在一起，仅在一侧留出一个张口，形成一条平整的狭缝，将骨架的两个接头对中固定于其中，再用锁扣辅助夹紧，限制接头的自由运动，保证焊接过程中，接头不会错位。夹具张口处再预留出一矩形缺口用于焊接，如图5所示。

图4 金属骨架安装示意图Fig.4 Sketch of installation for the metallic framework1—金属骨架；2—管板；3—U形管束；4—金属骨架安装就位；5—筒体

图5 金属骨架接头对中定位Fig.5 Alignment and location for the connectors of the metallic framework1—夹具；2—锁扣；3—金属骨架；4—接头

3.4 模拟试验

为了验证密封垫片结构改进的可行性与可靠性，分别对其进行了接头焊接，力学性能以及水压测试等模拟试验。

试验结果表明：各项指标符合相关标准，满足使用要求[4-6]。

3.5 应用效果

上报国家核安全局审查批准后，分别对两台乏燃料水池冷却器实施了解体检修。

两台乏燃料水池冷却器自解体检修后，投入运行，效果良好，无泄漏等异常情况发生。

4 结束语

乏燃料水池冷却器密封垫片开口形式、安装方式、对中定位及接头处理的创新设计，为采用局部抽芯的方式进行预防性解体检修奠定了坚实基础，降低了设备解体检修的巨大风险，避免了设备整体更换的高昂代价，为320 MW核电机组的安全稳定运行消除了隐患。同时也为其他类似设备的解体检修提供了一种思路与方法。

[1] 核工业部上海核工程研究设计院. 废燃料池冷却器设计说明书HX02SM[R]，1985.（SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH＆DESIGN INSTITUTE. Instruction of the spent fuel pool cooler HX02SM[R]，1985.）

[2] 七二八工程研究设计院. 废燃料池冷却器垫片图纸HX02-14[R]，1984.（SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH＆DESIGN INSTITUTE. Drawings of the spent fuel pool cooler HX02-14[R]，1984.）

[3] 宁波天生密封件有限公司. FULTEC GASKET 2009版[R]，2009.（N ingbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd，FULTEC GASKET[R]，2009.）

[4] 宁波天生密封件有限公司工程技术中心. 波形石墨复合垫片立体焊接报告[R]，2011.（Engineering＆technical center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Welding report of corrugated composite gasket with graphite[R], 2011.）

[5] 宁波天生密封件有限公司检验中心. 波形石墨复合垫片检验报告[R]，2012.（Inspection center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Inspection report of corrugated composite gasket with graphite[R], 2012.）

[6] 宁波天生密封件有限公司工程技术中心. 波形石墨复合垫片水压试验报告[R]，2012.（Engineering＆technical center, Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. Ltd, Report of water-pressure test for corrugated composite gasket with graphite[R], 2012.）

Gasket Structure Improvement for the Spent Fuel Pool Cooler

LI Yun，HE Shao-hua，QI Hong-chang，WANG Cong，WANG Cheng-lin，ZHONG Bo-ling
(CNNC Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China)

The two spent fuel pool coolers for the 320 MW unit in CNNC Nuclear Power Operation Management Co., Ltd. have operated for more than 20 years. In accordance with the preventive maintenance programs, they must be overhauled. It is decided to improve the original gasket structure of the component and adopt the method of a short-length U-tubes pulling after analysis and study. There are no leakages and other abnormal situations after the equipments being put into operation. The unit is kept safe and stable. At the same time, thought and method for the maintenance of other similar equipments are provided.

spent fuel pool；cooler；overhaul；gasket structure；improvement

TL35 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0224-05

TL35

A

1674-1617(2014)03-0224-05

2014-04-10

李 云（1982—），男，陕西安康人，工学硕士，工程师，从事核电站设备可靠性工作。