核电站堆芯换料水池水闸门密封零泄漏浅析

核电站堆芯换料水池水闸门密封零泄漏浅析

魏从龙

(山东核电有限公司山东烟台265116)

摘要：反应堆堆芯换料水池水闸门的作用是将反应堆水池及构件池进行隔离，并可靠密封，将整个堆芯换料水池一分为二，以满足在压力容器低水位期间，反应堆侧水池单独排水时，构件池仍能保持充水状态，屏蔽构件池侧放射性剂量的功能。本文结合水闸门设计、制造和运行试验几个阶段，对实现水闸门密封零泄漏性能要求的过程进行简要分析。

关键词：堆芯；换料水池；水闸门；零泄漏

引言：

核电站反应堆堆芯换料水池可分为反应堆水池和构件池两部分，如图一所示，反应堆压力容器位于反应堆水池中，堆内构件存放架位于构件池中。在机组大修期间，反应堆压力容器经过开盖卸料后，会将上部堆内构件吊运至堆内构件存放架上存放。在压力容器开盖后整个换料水池会充满含硼水，用以屏蔽燃料组件卸载过程中以及卸料后堆内构件和堆内核测仪表的放射性剂量。而根据大修项目的需求，有些检修工作需要反应堆压力容器水位处于低水位状态，这就要求对换料水池进行排水，为了屏蔽堆内构件和堆内核测仪表的放射性剂量，则必须在堆芯换料水池的水闸门槽道内安装水闸门，将反应堆水池及构件池进行隔离，并可靠密封，将整个堆芯换料水池一分为二，在反应堆水池单独排水时，使构件池仍能保持充水状态。反应堆水池排水后，工作人员即可进入池底进行压力容器法兰面的相关检修工作，而此时构件池相对于反应堆水池底部的水位将达到8.5米，为保证在反应堆水池工作可靠性和安全性，要求水闸门的密封性能达到一个较高的水平。下文将结合水闸门设计、制造和运行试验几个阶段，对实现水闸门的零泄漏密封性能进行简要分析。

图一：换料水池

1设计阶段

在电厂的初始设计中设计有换料水池水闸门，而在后续的设计变更中设计方删除了水闸门的设计，原因是设计方认为在正常的机组大修过程中不会用到换料水池水闸门。虽然如此，在换料水池中仍然保留有安装水闸门的槽道，可根据需要增加水闸门。

参考国内其他核电站换料大修水位图，并结合电站自身反应堆的特点进行分析，电站的大修关键路径水位如图二所示，再结合大修项目分析，如压力容器法兰面检查修复、压力容器主螺栓孔检查修复、蒸汽发生器堵板安装、压力容器底部异物打捞等工作，压力容器低水位工况是机组大修期间必须经历的工况。所以对于水闸门的需求也是必不可少的。

图二：大修关键路径水位图

针对现场实际情况，由国内设计方对新增的换料水池水闸门进行了设计，经过设计初审，专家评审，新增水闸门最终决定采用分段组合式设计，设计为上中下三段，在正常运行工况下，水闸门被拆分为三段，运送至核岛外存放。大修期间，则通过设备闸门，运送至核岛内进行拼装，安装密封条，吊至水闸门槽道内进行使用。三分段之间使用螺栓进行连接，并通过三元乙丙密封垫来保证分段之间的密封，闸门整体采用两道凹型三元乙丙充气密封条进行密封，如图三所示，设计泄漏量为1.95L/min，在正常使用期间，不允许产生目视可见的连续水滴或水柱。在失去正常供气后，前4小时，不允许存在连续渗漏；4到8小时内，不允许大面积泄漏。

图三：凹型充气密封

2制造阶段

为了保证闸门的质量，对于厂家的生产制造过程，水闸门的设计方、采购方及使用方均选择了质量见证点，对制造过程中的关键步骤进行现场见证控制。同时，由于现场门框不是由水闸门制造厂家生产，为确保门体与门框配合精度，厂家人员多次派人到现场实地测量门框尺寸，并根据测量结果调整门体制造尺寸，以保证水闸门制造完成后能够很好的与现场门框进行配合，保证其密封性。同时根据测量数据搭建模拟门框用于水闸门的出厂试验。其中，水闸门出厂试验是对水闸门密封性能验证的一个重要过程，在厂家完成水闸门的制造后，设计方、业主采购和使用方对出厂试验进行了见证。

在第一次试验中，水闸门就位于模拟门框中，调节门体与门框间隙达到设计要求，充气至正常压力之后，在两道充气密封条之间注水，闸门分段结合处靠充气密封侧出现泄漏，泄漏形成了连续的水流，不符合水闸门规格书及出厂试验程序验收要求，水闸门模拟密封试验不合格。初步原因分析为：闸门分段之间通过压紧密封垫实现密封，在门框的侧面，通过两个分段上的凸台压紧密封圈的耳朵，最终在门框侧面形成一个平面，如图四所示。凹型充气密封条贴合该平面实现密封条与门体之间的密封。据厂家工人反映，水闸门三个分段组装时，出现了在连接处密封圈被挤压，高出闸门门体侧面的情况，也就是说两个分段、密封圈在安装之后未如图那样紧密贴合，形成密封，从而造成了泄漏。针对上述问题，厂家对问题处进行了打磨，磨掉凸起部分，并紧固闸门之间的连接螺栓，重新进行了试验，泄漏率降至40ml/min，此次试验虽然满足了设计要求的1.95L/min泄漏量的要求，但是距离零泄漏目标尚有一定的距离，为进一步提高水闸门密封性能，水闸门的使用方邀请了设计方、密封条厂家及同行业专家在闸门制造厂家召开了专家会，就如何达到零泄漏目标进行了分析讨论。

图四：分段接口处密封

会议听取了厂家对换料水池水闸门制造和历次密封性能试验的介绍，并实地查看了水闸门的现状、试验工装等，经过认真分析、评价及讨论，专家组认为水闸门目前存在一定泄漏的原因如下：1）充气密封组件在密封槽内未能完全安装到位；2）水闸门分段之间连接密封垫凸出部分未完全打磨平整；3）水闸门分段之间连接密封垫未使用密封胶完全与水隔离；4）模拟门框圆弧段焊缝处不平整。针对以上存在的问题，厂家对问题进行了逐一处理，并再次进行了密封性能试验，经过1小时的保压，水闸门未发生泄漏，到达零泄漏的目标。

3现场试验

水闸门出厂密封试验虽然达到了零泄漏的高要求，但是并不意味着就可以在现场放心使用，还要通过现场的实际验证，这就需要在反应堆换料水池水闸门门框内进行实际安装密封试验。

在第一次试验中，反应堆堆芯换料水池充满水，在水闸门拼装完成后将其吊入门框内，密封条充气至设计压力，对反应堆侧进行排水，随着水位的下降，发现水闸门与门框存在多处泄漏，不满足泄漏要求，试验失败。排水后检查发现，造成泄漏的原因在于：1）水闸门底部支撑部件与门框底部由于焊缝的影响未就位到位，造成水闸门与门框间隙不满足要求；2）水闸门分段之间密封胶涂抹不均匀。针对上述问题，工作人员对水闸门底部支撑部件进行倒角打磨，消除焊缝的影响，并在水闸门分段之间均匀涂抹密封胶，重新进行试验。此次试验初始条件为反应堆堆芯换料水池无水，将水闸门吊运至门框后，工作人员在水闸门底部实际观察测量闸门底部与门框的间隙，并调整两侧间隙，使其均满足设计要求。之后对密封条进行充气，在两道密封条之间注水，达到规定液位后保压1小时无泄漏迹象。最后，在构件池侧进行充水，随着水位的升高，水闸门与门框处未见泄漏，门体分段之间也未见泄漏，达到规定液位后观察1小时无泄漏，之后关闭密封条的供气，在失去气源的情况下观察泄漏情况，4小时内无泄漏，4-8小时内也无泄漏，整个试验期间泄漏量为零，试验取得圆满成功。

结束语：

反应堆堆芯换料水池水闸门作为核电站大修期间的一个重要设备，其密封性能的好坏直接影响着工作人员的安全，所以对于其性能的我们不能满足于符合设计要求这样的层面，而是要追求更加卓越的目标。通过这样一个过程中，我们不但达到了零泄漏的高要求目标，同样积累宝贵的经验反馈，这为后续机组水闸门的设计制造及现场试验提供了一个良好的实践，相信有这些经验反馈，会使后续换料水池水闸门结构得到优化，操作的便利性、密封可靠性得到很大的提高。

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