一种耐腐蚀耐高温可视化滤渣收集器的研制及应用

傅晟伟，夏小娇，马韦刚，邱 添，姜 峨

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610213)

核电厂安全壳地坑主要用于收集泄漏的反应堆冷却剂和安全壳喷淋系统的喷淋液，作为安全注入系统和安全壳喷淋系统的水源，保证上述系统的再循环运行[1]，实现长期堆芯冷却和安全壳内余热排出。

安全壳地坑处设置了滤网，用于拦截安全壳内杂物和碎片，杂物和碎片的来源主要有两方面，一是核电厂LOCA事故后产生的碎片或杂物；二是LOCA事故后产生的碎片在反应堆冷却剂或喷淋水中溶解或腐蚀生成的腐蚀产物。这些杂物、碎片或腐蚀产物沉积在滤网上，增加地坑滤网的压降，造成地坑滤网的压降超过RIS和EAS泵的净正吸入水头裕度，影响地坑的再循环功能，从而影响堆芯长期冷却，造成安全隐患[2-7]。目前我国运行核电厂在进行地坑水力学评价时都是基于美国核管会的早期版本管理导则RG1.82[8]中的假设，经评估这种假设是不保守的。为满足核安全法规HAF102《核动力厂设计安全规定》(2004)中的相关要求，国家核安全局[2012]52号文件规定：各运行核电厂需完成安全壳地坑滤网改进分析报告，报告中应包含化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响[9]。目前国际上普遍采用WCAP-16530-NP中的方法分析评价化学效应，但此方法得出的数据对于地坑过滤器压降评估过于保守[10，11]。经国内专家研究及评估，国内采用综合化学效应方法开展化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究，为开展相关研究，需研制一种易于试验过程观察且适用于LOCA后各项工艺参数的滤渣收集器来模拟安全壳地坑滤网工作状态。

1 技术现状

秦山第二核电厂地坑过滤器安全分析项目是国内首次开展化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究[12]，没有可直接应用的设备或装置模拟LOCA事故后安全壳地坑滤网的工作状态。

为模拟安全壳地坑滤网工作状态，滤渣收集器需在最高温度约90 ℃、氢氧化钠碱性环境中工作，具备压降监测和加热功能，具有可视化特点，且可以在试验过程中添加碎片或腐蚀产物。在国内某研究单位预先开展的化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究中，就因滤渣收集器受热膨胀碎裂导致试验失败。

2 滤渣收集器的设计

2.1 设计思路

滤渣收集器为了模拟安全壳地坑滤网表面液体的流动状态，整体为垂直的圆筒形结构；为了观察滤网前后端的碎片和沉淀沉积及滤过的现象，圆筒采用分段式结构，两段筒体中间设置金属滤网。

滤渣收集器为了实现可视化，筒体采用透明的非金属材料。为了模拟核电厂LOCA事故后地坑滤网处的温度和化学环境，滤渣收集器需在室温约95 ℃的温度区间以及pH=10.5的碱性环境中工作，由于常用有机材料难以兼顾可视化和耐高温的使用要求，筒体优选玻璃作为材料，为了实现耐碱性腐蚀，最终选用高硼硅玻璃作为筒体材料。

由于试验研究中滤渣收集器需与试验装置的金属管道连接，因此在保证玻璃筒体与金属管道连接密封性的前提下，不发生因两种材料受热膨胀不均导致的玻璃碎裂是设计中需要重点解决的问题。设计中考虑采用金属法兰作为过渡段连接玻璃筒体与金属管道，并且通过一种创新的密封结构设计解决了上述问题。

为了实现加热功能，在金属法兰上部设置环形加热圈；为了实现压降监测功能，在上、下两段筒体的过渡法兰上设置引压管连接差压测量设备。

综上，滤渣收集器的设计思路为：整体采用圆筒形垂直结构，采用两段玻璃筒体将金属滤网夹持中间，可观察滤网前后端试验现象；玻璃筒体通过金属法兰与试验装置的金属管道连接，并在法兰部分设置加热器和引压管，满足加热和压降测量功能；上部法兰设置可拆卸盖板，可在试验中添加碎片及腐蚀产物。

2.2 结构设计

滤渣收集器由金属盖板、金属筒体、金属法兰、玻璃筒体、金属滤网以及密封件和紧固件构成，结构如图1所示。

图1 滤渣收集器结构图Fig.1 The structure of thefilter slag collector1—盖板；2—上金属筒体；3—引压管；4—加热器；5—螺母；6—上法兰；7—上玻璃筒体；8—螺柱；9—金属滤网；10—下玻璃筒体；11—下法兰；12—下金属筒体；13—橡胶密封件A；14—橡胶垫片；15—橡胶密封件B；16—金属抱箍

从图1可将滤渣收集器分为三个部分，其中1～4为上段部分，主要由不锈钢盖板、不锈钢筒体和不锈钢法兰以及加热圈构成。盖板通过螺栓与法兰连接，在试验中可拆卸后添加研究所需的碎片或腐蚀产物；加热圈为环状加热器，包覆于不锈钢筒体，由温控仪控制温度，保证试验介质到达地坑滤网时达到要求的温度；不锈钢筒体上设置引压管，用于监测滤网压降。

6～11为中段部分，其主要由两段玻璃筒体、金属滤网、上下金属法兰和长螺柱等构成。玻璃筒体通过上、下法兰分别与上、下段部分连接，玻璃筒体与上、下不锈钢法兰连接部分采用插槽式安装方式，筒体筒壁在嵌入凹形的橡胶密封件A后再插入不锈钢法兰的开槽中，密封结构如图1局部图A所示；上、下法兰以及上、下金属筒体通过环形均布的四个长螺柱连接在一起，靠玻璃筒体侧的两个螺母可以调节上、下法兰的距离，从而调整上、下法兰和玻璃筒体的挤压松紧程度，这种结构不仅可作为支撑避免玻璃筒体和上、下不锈钢法兰受热后因材料膨胀系数的不同造成的挤压碎裂，并且可以与靠金属筒体侧的两个螺母形成预紧力，保证上金属筒体与上法兰、下金属筒体与下法兰以及上、下法兰与玻璃筒体四个密封面的密封；玻璃筒体采用高硼硅玻璃材料成型，满足透明、耐碱性、耐高温的要求，两段玻璃筒体对接端为凸边结构，可实现金属滤网的支撑和固定，并通过橡胶垫片实现第一道密封，两段玻璃筒体凸边外缘套通过凹形的橡胶密封件实现了第二道密封，并使上、下玻璃筒体连接，橡胶密封件外侧设置金属抱箍紧固，通过调节抱箍的松紧程度，在满足密封预紧力的同时，避免了玻璃筒体因受热膨胀而被挤压碎裂，密封结构如图局部图B所示。

12为下段部分，主要为不锈钢金属筒体。筒体设置为漏斗形式，避免穿过金属滤网的杂质、碎片、腐蚀产物等形成死区堆积。

2.3 工作原理

滤渣收集器的工作原理为：介质从上段金属筒体进入后形成垂直流向，模拟了安全壳地坑处流体的流动方向；通过包覆于不锈钢筒体的加热圈加热，从而模拟安全壳地坑处流体不同时间段的不同温度；加热后的介质向金属滤网方向流动，期间碎片、杂物以及腐蚀产物等在滤网处形成沉淀堆积，玻璃成型的筒体可实时观察滤网前后端的碎片和沉淀、沉积及滤过的过程；介质在通过滤网后经下段金属筒体回流至试验装置，形成循环回路。

上段筒体顶部的可拆卸盖板，可模拟试验过程中碎片及杂物加入；上段筒体设置的引压管与滤渣收集器出口后端实验装置管路上的引压管形成差压测量，可实时监测滤网前后端的压降，达到化学效应对地坑过滤器滤网压降影响的研究目的。

3 滤渣收集器的应用

滤渣收集器应用于秦山第三核电厂地坑过滤器安全分析项目和秦山第二核电厂3、4号机组地坑过滤器安全分析项目的化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究。

在秦山第三核电厂地坑过滤器安全分析项目化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究中，模拟的秦山第三核电厂LOCA后地坑水化学环境和降温曲线条件下，通过滤渣收集器获得了滤网处沉淀物，试验中观察并记录了沉淀物形成过程，如图2(a)所示，试验后将滤渣收集器拆卸，取出滤网处收集的沉淀物，如图2(b)所示，对其进行了化学分析，得到了沉淀物的成分并分析了沉淀的形成原因。

图2 秦山第三核电厂化学效应对压降影响试验滤网处沉淀Fig.2 Precipitate at the filter of the chemical effect test on strainer pressure drop in Qinshan NPP Phase Ⅲ

通过滤渣收集器前后端压降的监测，获得了秦山第三核电厂地坑过滤器化学效应对滤网压降的变化曲线，如图3所示，结果显示化学效应对滤网两端压降没有明显影响，试验结果为秦山第三核电厂安全壳地坑滤网改造工程通过国家核安全局审批提供技术依据[13]。

图3 秦山第三核电厂化学效应滤网压降变化曲线Fig.3 The curve of strainer pressure drop in the chemical effect test in Qinshan NPP Phase Ⅲ

在秦山第二核电厂3、4号机组地坑过滤器安全分析项目化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究中，同样通过滤渣收集器获得了滤网处沉淀物，如图4所示，并对其进行了分析。

图4 秦山二扩核电厂化学效应对压降影响试验滤网处沉淀Fig.4 Precipitate at the filter of the chemical effect test on strainer pressure drop in Qinshan NPP Phase Ⅱ Extension Project

通过滤渣收集器前后端压降的监测，获得了秦山第二核电厂3、4号机组地坑过滤器化学效应对滤网压降的变化曲线，如图5所示，结果显示秦山第二核电厂3、4号机组LOCA后地坑环境中产生的化学沉淀物对滤网压降存在影响，化学效应对滤网压降影响应在下游效应分析中予以考虑[14]。

图5 秦山第二核电厂3、4号机组化学效应滤网压降变化曲线Fig.5 The curve of strainer pressure drop in the chemical effect test in Qinshan NPP Phase Ⅱ Extension Project

4 结束语

1)研制了一种耐腐蚀耐高温可视化滤渣收集器，采用高硼硅材料成型的圆柱筒体实现了耐腐蚀、耐高温、可视化的研究需求，通过特殊结构的金属法兰实现了玻璃筒体与金属管道的连接，采用独特的密封结构不仅实现了密封，并且避免了高硼硅与金属法兰因受热膨胀系数不同造成的挤压碎裂，解决了现有技术中没有适用于核电厂化学效应研究的设备问题。

2)该滤渣收集器被应用于秦山第三核电厂地坑过滤器安全分析项目和秦山第二核电厂3、4号机组地坑过滤器安全分析项目的化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响研究，支撑研究获得了试验数据，为地坑过滤器性能评估、下游效应分析提供了数据支持，并为秦山第三核电厂安全壳地坑滤网改造工程通过国家核安全局审批奠定了基础。

3)该滤渣收集器相关技术申请了发明专利并获得授权[15]，可推广应用于核电厂化学效应相关研究。