带压密封技术在核电厂中的应用分析

摘 要：运行中的核电厂某系统发生泄漏时，在无法隔离检修的情况下，带压密封技术可以在不影响机组生产运行的条件下，对泄漏的管道、设备进行封堵而迅速消除泄漏。该文通过模拟采用第三代AP1000核电技术的山东海阳核电厂压缩空气系统管道泄漏事件的处置过程，从核电厂的人员和工具配置、技术准备、程序文件准备、施工方案策划、夹具设计制造、封堵工艺流程等方面分析带压密封技术在核电厂中的实施，以及其对保障核电厂安全、经济运行所起到的重要作用。

关键词：带压密封 夹具 核电厂 应用

中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0127-02

1 带压密封技术在国内核电站的应用

带压密封技术是指当运行中的设备发生泄漏后，可以在不停车，不影响正常生产运行的情况下实施封堵，快速消除泄漏的一项技术。该项技术于1922年起源于美国，20世纪60～70年代逐渐发展并扩大应用范围，我国是从80年代初开始立项研发，目前该技术在各行各业已得到广泛的应用。其基本原理是，用夹具包容泄漏点建立密封腔，以高于泄漏系统压力的推力注入密封剂，达到工作密封比压，阻止泄漏，实现再密封。

相对于常规电站而言，核电站因其核安全的特殊性，在设计建造、设备采购、运行维护等方面有更高的质量标准。但由于在生产过程中受到介质的腐蚀、冲刷、振动、温度压力变化的作用，以及其工艺系统复杂、不间断运行时间长等因素，仍无法杜绝“跑、冒、滴、漏”的出现。一旦重要设备出现泄漏，可能造成系统降功率、停机停堆事件，影响机组安全，造成巨额的经济损失，甚至可能影响核安全。这时，就需要及时有效、在不停机状态下安全地消除泄漏，因此，带压密封技术对核电具有极其重要的作用，且在国内在运核电站中已有大量成功的应用案例。

2 山东海阳核电厂带压密封准备工作

作为全球首批第三代AP1000核电项目，处在建安和调试高峰期的山东海阳核电厂正开展着带压密封作业的规划和准备工作。初期，该厂按照能够解决中低压/温以及危险性较低的泄漏的要求进行设备和人员配置，对于一些危险性较高的情况则委托专业的带压堵漏公司进行封堵。

带压密封技术不同于其他常规维修工作，具有高风险的特点，对操作者本人、他人及周围设施的安全可能造成重大伤害。因此，只有在正常维修措施无法实现，同时，设备的运行条件及相应介质满足带压密封技术实施要求的情况下才能实施。为保证作业安全顺利进行，并满足国家相关法规的要求，海阳核电厂了《特种作业许可管理》程序来规范带压密封作业。程序规定，由维修部发起特种作业申请，需注明申请原因、设备名称和设备代码、作业地点、危险源及对应控制措施、作业安全措施、作业组织等内容，经由运行部、安全质保部对机组参数、风险分析、安全防护措施等内容进行审查和补充，最终由分管副总经理批准生效，工作策划员和现场作业人员必须持《特种设备作业人员证》才能从事相关工作。同时，已编制生效《操作规程》指导工作现场的具体操作步骤。

在海阳核电厂，带压密封技术只被允许应用在常规岛、BOP相关设备的泄漏处理，对于一回路的相关设备则禁止使用，主要考虑密封胶没有取得抗辐照验证，以及存在密封胶注入一回路，降低设备使用寿命的风险。

在人员准备方面，维修部已有5人通过中国特种设备检验协会培训并获得《特种设备作业人员证》。工具方面，按照两台机组每个大修周期内需要内部实施4次带压密封进行规划，主要包括两套带压密封专用工具、作业人员使用的隔热服、连体服等个人防护用品以及适用于不同温度、介质的密封胶。每套专用工具包括手动、气动液压泵，液压软管，注射枪及枪管，压力表，快速接头等。

3 模拟压缩空气系统泄漏处理

（1）仪用压空系统泄漏。根据海阳核电厂《丧失仪用压空》的运行程序，当仪用压空系统破裂或泄漏时，运行人员通过电站通讯系统通知电站员工仪用压空压力低、停止使用所有不重要的厂用压空并根据程序采取相应措施。查明漏点为仪用压空母管后，要求维修人员执行“压空系统泄漏” 修复工作。若泄漏无法消除，仪用压空压力持续降低，可能导致某安全相关气动阀由于失去压气而打开，造成停堆。

（2）带压密封可行性分析与方案制定。接到紧急缺陷后，维修值班人员响应，确认泄漏点为4"的直管段焊缝，该段管道无法进行隔离检修。进过系统介质、压力确认，现场环境检查，泄漏点检查（检查泄漏点周围有无腐蚀、管壁减薄）等，初步判断可实施带压密封作业。方案经审查、批准，确定采用盒式夹具，把泄露部位包封起来，然后向密闭腔内注入密封剂消除泄露。

（3）夹具设计。夹具是在带压堵漏中安装在泄漏缺陷部位形成密封空腔，提供强度和刚度保证的承压金属构件。夹具作用有包容和覆盖泄漏部位，形成密封空腔；空腔内容纳密封注剂；夹具承受系统压力和密封注剂挤压力；组成新的密封结构。由于夹具的重要作用，其设计的好坏，关乎整个带压密封作业的成败。夹具设计包括：材料选择、结构应用、尺寸确定和强度计算等。

首先需要确定泄漏部位的工况参数：泄漏系统压力PL为0.8 MPa；泄漏介质为空气；系统温度为20；直管泄漏，管外径为Φ108 mm；泄漏状态为焊缝单点泄漏。

在材料选择方面，为避免夹具对压空系统不锈钢管道造成碳污染，本体与耳板选用304L不锈钢，[σt]=115MPa，螺栓选用30CrMoA材质，[σt]=179MPa。（[σt]为在一定温度下的许用应力，取自ASME第Ⅱ卷D篇性能）

夹具结构如图1所示。

空腔宽度应覆盖泄漏缺陷终止点，并距侧端板内距离大于15mm，本次管道泄漏可看作点泄漏，确定夹具空腔宽度C=35mm。

空腔高度与泄漏介质温度有关，结合密封剂固化性能等因素综合确定，宜在520mm之间，设夹具空腔高度10 mm；

夹具计算直径D=管道外径+2倍空腔高度=128 mm；

夹具厚度S，由强度计算确定，因受安装注射阀螺纹尺寸限制，不小于14 mm；

侧板厚度Y，通常取Y=1.3～1.5S。

耳板宽度b，为便于焊接及强化受力，直管夹具耳板宽度可选择与夹具的宽度相同。

因为要考虑密封注剂在密封腔内的动态变化和密封比压的需要，并提高夹具的刚性稳定需求，一般取设计压力为系统压力与一修正值之和。设计压力PC=PL+5=0.8+5=5.8 MPa。

夹具与泄漏管道外壁的密封空腔内，承受介质的压力和密封剂的挤压力，其压力垂直于内壁面，以正应力为主。根据实际应用和应力测试，引用GB150《固定式压力容器》的壁厚计算公式。

夹具本体厚度：S==3.31 mm，（为焊接系数，此处取1），按夹具最小厚度不小于14 mm的规定，应用厚度S=14 mm。

夹具侧板厚度Y=1.3～1.5S，取值为Y=20 mm。为便于密封剂的流动，设计采用单排6个规格为M12的标准型密封剂注剂孔。

螺栓小径：d===8.4 mm，（式中：Ck预紧和刚度系数，取1.5；n为螺栓数量）。为控制螺栓初始紧固操作中不产生屈服变形，及避免扳手过力可能造成的螺栓超载，选4个规格为M12的8.8级双头螺栓。

耳板厚度：t===11.27mm，（式中：L1为耳板螺孔中心与本体距离，取L1=14 mm；b为耳板宽度，b=C+2Y=75 mm）。选用耳板厚度t=12 mm。

（4）现场实施模拟。设备运至现场，完成现场检查、工前会等内容后按照《操作规程》实施带压密封作业。首先计算夹具与管道空腔内的体积约为130 mL，判断需使用4～5只密封剂；对油泵、液压油管、压力表、注剂枪等工具进行检查；夹具套在泄漏点处，贴合紧密，加上螺栓，用扳手紧固；将注剂阀旋入夹具的螺栓孔中，从远离泄漏点位置从两侧依次以适当压力向空腔内注入密封剂。

可通过听声音和感知气流判断已完成对泄漏点的封堵，观察一段时间后（1～2 h）不再出现泄漏现象，说明堵漏成功。该夹具可维持到下次换料大修时进行拆除，完成对管道的彻底修复。

4 结语

由以上案例可见，带压密封技术的使用可以及时有效地消除了海阳核电厂压缩空气系统的泄漏，保障了电站安全可靠地运行。所以，在核电厂的生产准备工作中，做好带压密封技术的引进和规划是十分必要的。同时，随着抗辐照密封剂的研发和带压密封技术产业的不断发展，带压密封技术在核电领域也将有越来越广泛的应用。

参考文献

[1] 中华人民共和国电力部.电力安全工作规程（热力和机械部分）[S].2010：18.

[2] GB 150.3-2011压力容器第3部分：设计：9395[S].

[3] 胡忆沩.实用带压密封夹具设计图集[M].北京：机械工业出版社，1998：2528.