核电厂稳压器电加热器异常经验反馈

张　斌，邹国强，党恒军，刘旺瑛

（1. 西安核设备有限公司， 陕西　西安　710021；2. 中广核工程有限公司， 广东　深圳　518114）

核电厂稳压器电加热器异常经验反馈

张斌1，邹国强2，党恒军1，刘旺瑛1

（1. 西安核设备有限公司， 陕西西安710021；2. 中广核工程有限公司， 广东深圳518114）

运行核电厂稳压器电加热器能否正常工作直接关系到核电厂的安全运行。通过对某新建核电厂调试期间稳压器电加热器故障事件进行剖析，结合电加热器制造安装工艺和工程试验验证，得出了该型号电加热器填充物的使用温度限值（140 ℃）。采用加速失效思想设计了预计电加热器寿命的试验，找到了电加热器热老化的相关规律。根据电加热器填充物使用温度限值和热老化规律，给出了电加热器使用保养建议和处理类似事件的经验反馈，对核电厂的安全运行有一定的指导意义。

稳压器； 电加热器； 加速失效； 热老化； 经验反馈

稳压器是压水堆核电站（Nuclear Power Plant， NPP）的关键设备，起着维持系统压力的作用。压水堆核电站一回路稳定运行压力为15.5 MPa，稳压器是唯一处于汽水两相状态的主设备，其上部存在一定容积汽腔，根据负荷的不同，其水位在20%～60%变化。利用底部电加热和顶部喷淋来控制水-汽平衡，在正常功率波动及中、小工况下，将主冷却剂系统压力变化控制在允许范围内，以保证反应堆一回路压力的稳定，避免发生紧急停堆。若多根稳压器电加热器发生故障，可能导致反应堆冷却剂系统运行压力发生波动，而造成非计划停堆，将对机组安全性和经济性造成不利影响。因此，稳压器电加热器可靠运行在压水堆核电厂的安全运行中起到非常重要的作用［1-2］。

压水堆核电厂稳压器电加热器预期寿命大约20年。实际上由于电加热器用材料非各向同性及运行操作、维护保养等环节不到位，少量电加热元件的使用寿命会低于最小设计寿命。

稳压器电加热器组件的制造和安装工艺较为复杂［2］，在役核电厂更换电加热器施工难度大，由此产生的维修成本极高，且国内外只有极少数机构有能力进行维修［3］。本文将介绍电加热器组件的制造安装工艺、讨论加热器组件损坏的原因并在此基础上指出加热器保养的经验反馈。

1　稳压器电加热器组件制造安装工艺简介

1.1电加热器组件及制造要求

稳压器电加热器组件由电加热器和贯穿套管两部分构成（见表1），电加热器按照《电加热器制造和验收技术条件》在合格供货商中外购成品［3］，并与焊在稳压器下封头内侧的贯穿套管相焊，通过焊接方式保证承压边界的完整性［4］。电加热器的贯穿套管所用锻件为核级材料，质保体系一直延伸到分供方，不仅制造过程受到严格监督，而且锻件成品后制造单位仍会进行入厂复验。所有项目确认合格后，才会机加工、检测和水压试验等。

1.2电加热器组装及焊接

（1）贯穿套管冷装工艺介绍

在下封头指定部位钻孔，冷装前必须复测各孔及贯穿套管尺寸，并进行一一编号，确保冷装阶段套管能够顺利进入相应孔位，保证安装的电加热器套管符合图纸要求［5］。按照顺序进行有规律的错位安装，将对应编号的贯穿套管从液氮贮槽中取出装入对应编号的开孔中，安装时间不超过3 min；液氮贮槽的液面要高于零件表面，冷却时间不少于15 min［6］（见图1）。

表1　电加热器组件信息Table 1　The main parts of the electrical heater components

图1　稳压器下封头贯穿套管孔分布Fig.1　The layout of the pressurizer lower head penetration sleeve holes

（2）下封头与电加热器组件焊接方案

稳压器下封头安装了63根电加热器，其中60根正常工况下使用，3根处于备用状态。所有贯穿套管冷装工作完成后，采用手工氩弧焊在稳压器竖立状态下完成电加热器贯穿套管与下封头的焊接和检测［7］。接着将内圈7根贯穿套管与相应加热器进行组焊，然后焊接中间一圈26根，最后焊接最外圈30根。为便于制造期间无损检测及焊缝返工，每一圈电加热元件焊接完毕后首先进行无损检验，只有检测合格才能继续进行外圈电加热器焊接［8-9］。组焊完成后按照要求对电热元件性能测试并将结果进行记录［10］（见图2、图3）。

图2　贯穿套管与下封头组焊示意图Fig.2　The assembly-welding of the lower head and penetration sleeve

2　稳压器加热器故障事件回顾

2014年11月，国内某新建核电厂调试期间发现1号机组稳压器少量电加热器连接线缆脱落，连接接头烧损。随后业主组织设备制造单位、电加热器供货商等到现场进行实地查看并初步调查了事件的原因。现场损坏确认无法继续使用的电加热器问题如表2所示。

图3　贯穿套管与电加热元件组焊示意图Fig.3　The welded-style between lower header and sleeve

另外联合调查中还发现该电厂稳压器安装和运行存在以下问题［1］：

1）所有加热器均没有安装翅片散热器。

2）保温层安装不符合规范，造成加热元件外露有效高度缩短，同时电加热器元件之间的间隙也变得更加狭小，不利于加热器外表面热量向环境中传递。

3）一些供电电缆的弯折角度过大。

4）热态试验温度记录仪显示，接插件表面温度高达198 ℃，这一温度仅是针对加热器连接件表面的。还不确定是否所有加热器满负荷运行以及环境温度状况。如果不利因素叠加在一起，加热器表面的实际温度会更高。

3　原因分析及讨论

稳压器制造单位联合电加热器供应商进行了原因分析，对电加热器填充的环氧树脂、加热器的热老化影响因素进行了理论分析和实验验证，最终给出了电加热器失效的机理。

3.1电加热器环氧树脂温度限值分析

通过现场观察不难看到，个别损坏加热器的填充树脂已经流出，初步分析可能是树脂的耐热性能超过了温度限制。本批供货的加热器选择Stycast 2762型环氧树脂叠加17型催化剂作为接插件的填充物，因为该组合填充物具有低收缩率、低热膨胀系数、高温度阻抗、已经30多年的使用经验等优势。

表2　现场加热器损坏情况Table 2　Heaters ruined on site

温度限值以下树脂能够确保电加热器有良好的物理和电气性能，且填充树脂的老化会非常的缓慢，有利于电加热器长时间使用。但毕竟环氧树脂在温度限值以上会受到严重的损害，使用中必须对树脂在高温状态下失效的过渡温度进行评估，以便给出防止Stycast型树脂在高温下过快老化的温度限值［12］。

使用膨胀测量法在室温至230 ℃的不同温度环境下对一批加热器进行了电性能和机械性能测试，结果发现Stycast树脂的过渡温度限值约为140 ℃。显然，新建核电厂热试阶段加热器表面的温度已经超过该温度限值至少58 ℃，因而环氧树脂出现了过烧流出现象。

3.2加热器的热老化寿命分析

核电站稳定运行要求电加热器的使用寿命半功率状态下超过20 000 h，如果严格按照实际情况进行常规试验测试其热老化寿命不但耗时，还要耗费大量人力、物力，也满足不了工程的要求，为解决这一矛盾，此次验证试验引入了加速寿命试验。所谓电加热器的加速失效寿命试验，在既不改变实际使用条件的失效机理，又不增加新的失效机理的前提下，选择温度作为加速应力，把各种温度应力下的工作次数、时间作为寿命数据进行分析，即以温度作为自变量，寿命作为因变量进行试验，以温度作为加速应力，就是升高电加热器的实际工作温度，或加大电加热器的实际工作温度的跨度，温度越高，温度之间的跨度越大，失效周期就越短，达到了加速失效的目的［13］。

电加热元件供应商对样品进行了温升试验，观测“快速”动态弹出现象。由于试验主要进行热老化性能验证，因而电加热器本身未通电，而是选择放在热处理炉中模拟（见表3）。

按照上述加速失效条件进行3组试验件的模拟，结果显示随着温度的升高，填充树脂状态逐步发生变化。250 ℃持续48 h，试件二环氧树脂在连接插头外开始膨胀。试件三温度增至275 ℃，75 h后连接插头外树脂加速膨胀、快速弹出，电加热器完整性已经失效（见图4～图6）。

为了进一步了解加热器内部的损坏情况，对连接接头试件三进行射线检测，发现加热器填充物内部存在裂缝和空隙且环氧树脂有显著位移。

3.3失效机理

电加热元件超负荷工作期间内部承受热老化，高电压等冲击，由此产生空隙、裂缝等缺陷，这些缺陷会降低电加热元件自身的绝缘电阻，在接插件内部产生电弧，发生短路，进而击穿树脂绝缘层，造成电加热元件性能失效。

表3　电加热器热老化寿命模拟试验Table 3　Simulation test of heater aging life

图4　试件二的测试结果Fig.4　The test result of test coupon 2

图5　试件三的测试结果Fig.5　The test result of test coupon 3

图6　试件三的X射线照射Fig.6　X-ray detection for test coupon 3

3.4电加热元件寿命预测

阿伦尼乌斯模型（Arrhenius model，AM）适用于加速试样的热老化过程。环氧树脂属于有机材料适用于该模型［14］。

式中：1t——模拟寿命；

t2——实验室寿命；

T1——模拟环境温度；

T2——加速失效温度；

φ——活化能，eV；

κ——玻耳兹曼常数（8.62×10-5eV/K）。本加速失效试验中，保守取值，将活化能φ取值为0.8 eV。将表二加速失效试验中相关数据代入结果如表4所示。

由于尚不清楚有多少电加热器填充物遭受了高温的破坏，且无法确定持续时间，因而其余电加热器的剩余寿命或许更短。

4　结论

1）按照RCCE D2000的有关规定，稳压器下封头环境温度不能大于50 ℃，周围环境温度过高将对电加热器散热产生不利影响。建议运行过程中对环境温度进行监测，如果温度超过50 ℃应立即采取强制冷却措施（如风冷等），以便提高稳压器底部散热的效率。

2）供应商翅片散热验证性试验显示，安装翅片能有效降低连接件表面至少40 ℃。为了防止更多电加热元件超温损坏，该核电厂电加热器已经全部安装了翅片散热器［15］。

3）Stycast型树脂的过渡温度通过膨胀测定曲线得知大约在140 ℃左右，在高于这一温度的情况下，接插件中的环氧树脂将会加速老化从而缩短加热器的使用寿命。温度记录显示该核电厂稳压器电加热元件连接件表面温度达198 ℃，明显高于过渡温度限值，建议进一步细化操作规程，加强核安全文化培训，防止人因失误［16-17］。

4）目前发生故障的6个电加热器位于稳压器下封头的不同部位，这可能就是电加热器已经老化的预警，电厂运行中应加强监控。

5）保温层设计阶段对电加热器对流和辐射散热空间考虑不到位，铺设的保温层占据了一定的散热空间，造成电加热器承插件上的热量无法及时导出。建议将保温层安装位置适当低于电加热器套管连接件，以便套管连接件的热量可以及时排出。

表4　电加热器热老化寿命模拟试验Table 4　Simulation test for heater aging life

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The Experience Feedback on Pressurizer Heater Abnormality in a New-built Nuclear Power Plant

ZHANG Bin1， ZOU Guo-qiang2， DANG Heng-jun1， LIU Wang-ying1
（1. Xi'an Nuclear Equipment Co.， Ltd.， Xi'an of Shaanxi Prov. 710021， China；2. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518114， China）

It is critical that the electrical heater of the pressurizer works normally for PWR. Based on analyses for the heater failure events in a new nuclear power plant and combined with the heater manufacturing and installation process and related engineering test， some important parameters， including filler temperature limits of no more than 140 ℃， and thermal ageing principle， are found out. It is helpful for providing advices and experience feedback for the usage and maintenance of heaters， and having some instructive meanings for the safe operation of nuclear power plant.

pressurizer；electrical heaters；failure acceleration；thermal ageing；experience feedback

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0239-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0239-06

2015-02-09

张 斌（1987—），男，陕西商州人，工程师，在职硕士，现从事核安全机械设备售后服务及经验反馈工作。