三门核电ADS-4自动泄压系统爆破阀检修工艺研究

引言

爆破阀是一种火工品驱动的阀门,其在压水堆核电站的首次应用是在三门核电。核电站大修期间,需完成14英寸爆破阀的在役检查,最为便利的方法是对其进行离线解体检修,但在设计阶段未考虑14英寸爆破阀检修需求,导致存在引入自动卸压系统管道振动、检修空间狭小且与周围干涉、14英寸爆破阀关键部件拆装困难等难点。因此,核电站迫切需要开发一整套针对14英寸爆破阀的检修工艺,指导完成14英寸爆破阀不离线解体检修。

114英寸爆破阀概述

三门核电的自动泄压系统ADS第4级共2×2组,每列设置1台爆破阀,通过常开直流电动闸阀连接到反应堆冷却剂系统RCS的热管段,出口排空,具有低压降、零泄漏、可靠性高的特点。14英寸爆破阀能够实现核电站正常运行及瞬态时保持关闭状态,以保证系统管线两侧的介质零泄漏。

根据ASMEOM卷ISTC-3000和ISTC-5000规范要求,每个换料周期(18个月)需对每个类别的爆破阀分别抽取1台进行解体检查,10年内完成所有爆破阀的监督试验项目。具体到14英寸爆破阀,其解体检查项目包括:

(1)对爆破阀各法兰密封面、承压螺栓、螺柱及螺母、剪切盖、拉紧螺栓、阀体内部等各部件进行目视检查,确认无异物、介质、腐蚀等:

(2)对剪切盖、拉紧螺栓、活塞等关键尺寸进行测量,确认无变形:

(3)对剪切盖、拉紧螺栓、活塞等进行PT或涡流超声检查,确认无缺陷:

(4)检查密封件接触区域有无介质泄漏、缺陷等情况。

2检修难点分析

核电站大修期间,需完成14英寸爆破阀的检修项目,最为便利的方法是对其进行离线解体检修,但在设计阶段未考虑14英寸爆破阀检修需求,导致存在如下难点:

(1)14英寸爆破阀检修会引入ADS-4管道振动风险。14英寸爆破阀位于ADS-4管线上,该管线设计上抗振约束裕量不足,且对管线的支吊架载荷和位移设定异常敏感。14英寸爆破阀维修过程中需要拆装爆破阀及其恒力吊,不可避免地会对管线的支吊架载荷和位移造成影响,故爆破阀检修后很有可能造成反应堆启动阶段ADS-4管线再次振动大。

(2)检修空间狭小且与周围干涉。如图1所示,三门核电1、2号机组11401/11402房间空间狭小,蒸汽发生器、14英寸爆破阀、14英寸电动闸阀都堆积在房间内部,使得14英寸爆破阀周边空间狭小,人员通过性差。爆破阀附近还存在多处支架,就地检修空间狭窄、干涉物项多、阀门无法正常起吊运输、倒运路径受限,导致爆破阀解体检查无法开展,无法满足在役试验中对爆破阀的试验要求。

(3)关键部件拆装困难。14英寸爆破阀由于设计特殊,部分关键零件如拉紧螺栓、剪切盖等设计存在薄弱点,以保证其在爆破单元爆炸后顺利切断拉紧螺栓削弱槽和剪切盖并接通一回路泄压通道,且爆破阀动作后不可逆。因此,爆破阀拆装过程中可能会引入隐形损伤,导致机组运行过程中14英寸爆破阀失效泄漏,仪控系统误触发造成重大核事故或事故工况下14英寸爆破阀无法满足设计要求及时降低一回路压力。

结合14英寸爆破阀结构特点,其检修需要满足以下要求:

(1)能适应14英寸爆破阀现场狭窄幽深的空间尺寸:

(2)能进行不离线检修,无须将阀门整体从系统中吊出:

(3)既能拆除、回装关键零部件,又能保证拆除、回装过程中不损伤零部件:

(4)能保证检修效率,尽量缩短主线工作时间,降低人员所受辐射剂量:

(5)保证异物控制。

3不离线检修工艺和专用工器具设计

3.1不离线检修可达性变更

具备阀盖、活塞作为整体的转运路径和空间是14英寸爆破阀不离线检修的必要条件,爆破阀的钢结构电缆支架、B/D列爆破阀上部的恒力吊皆阻挡了爆破阀阀盖、活塞的起吊路径。因此,需在爆破阀检修工作开始前,一方面,不改变原有电缆支架的安装位置,只在其长度方向上切割,将干涉的支架切除:另一方面,将干涉的恒力吊的部署由现与管道平行方向旋转至不干涉起吊路径位置。使用吊带、吊环、电子吊秤、葫芦等将恒力吊所受的爆破阀及管道重力转移,旋转完成后再将重力转移至恒力吊。

3.2增设吊点

14英寸爆破阀的上方现有恒力吊的钢结构支撑,但其高度不足,无法起吊爆破阀阀盖和活塞。因此,维修人员在4列爆破阀上方增设钢结构支撑和吊耳,并将吊耳焊接至爆破阀正上方2.2m处,使用铅垂线保证吊耳焊接的中心点与爆破阀的中心相重合。设计吊耳的材质为0235B,厚度为30mm,抗震分类为I类,安全分级为A级。

3.3监测维修过程中爆破阀位移

14英寸爆破阀不离线检修,一方面,将阀盖、活塞组件吊离阀体内,阀门质量会变小,即改变了恒力吊的载荷,阀门有发生位移的可能:另一方面,维修活动本身也可能导致阀门发生位移。ADS-4管线对管线支吊架载荷和位移非常敏感,为防止14英寸爆破阀检修期间引入ADS-4管线振动风险,在检修开始前,于爆破阀底部水平、竖直和与管道平行方向设置激光测距仪,检修过程中全程监测阀门是否发生位移,排除可能产生的ADS-4管线振动大的风险。

3.4爆破阀检修桌面设计

在不离线检修中,需将阀盖与活塞作为整体吊出阀体并放置于定位检修桌面,如图2所示。定位检修桌面的主要功能是拆除阀盖、拉紧螺栓、活塞,使得尺寸测量和无损检测可以有效进行。

定位检修桌面三维示意图如图3所示,阀盖与活塞组件放置于定位检修桌面上,活塞下部穿过定位桌中间预制的定位孔,可以防止活塞转动。定位桌面上还有4个同圆均匀分布的阀盖防转定位孔,可以固定阀盖防止其转动。

3.5解体检修实施设计优化

使用定位检修桌面可以实现爆破阀的不离线检修,但针对拉紧螺栓、螺纹套等拆装难点,还需展开进一步优化。

3.5.1避免损伤拉紧螺栓

将阀盖、拉紧螺栓、活塞组件吊入定位检修桌面并安放平稳,保持吊装部件吃力,插入4根阀盖防转销。使用专用内六角(3/4",长约300mm)和棘轮扳手从活塞下方卡入拉紧螺栓底部六角孔,逆时针转动,此时阀盖被阀盖防转销固定,活塞被定位检修桌面的定位孔固定,使得阀盖与拉紧螺栓的螺纹连接可以松开。多种专用工具同步使用,严格执行检修程序,即可避免检修过程中损伤拉紧螺栓。

3.5.2避免损伤螺纹套

在拉紧螺栓拆除过程中,需保持阀盖上方的吊装部件吃力,避免阀盖的重力传递给螺纹套。阀盖拆除过程中,也需保持阀盖上方的吊装部件吃力,利用专用内六角固定拉紧螺栓保持不动,使阀盖上升及阀盖逆时针旋转保持同步,螺纹套处不承担任何压力。

从活塞中拆除拉紧螺栓时,需注意拉紧螺栓伸出活塞部分,防止产生偏移的状况。使用专用内六角从活塞底部卡入拉紧螺栓底部六角孔,缓慢逆时针旋转,注意旋转力度,避免野蛮操作,将拉紧螺栓从活塞中拧出。如发生卡涩情况,立即停止旋转,确认螺栓处于竖直状态,螺纹未发生卡死情况,利用铜棒轻轻敲击,缓慢将拉紧螺栓拆除。

3.5.3回装后阀盖与活塞同心度控制

阀盖与活塞完全紧固前,应对阀盖凸台位置及活塞外表面在圆周方向进行测量,以保证阀盖与活塞的同心度。选取四个测量点,当四个点的尺寸一致时,可判定阀盖与活塞的中心线基本重合,阀门动作后活塞与阀体内表面不会发生卡涩的情况,爆破阀可以及时、有效地开启。

3.5.4剪切盖上、下夹块安装工具设计

使用剪切盖上、下夹块专用工具,解决14英寸爆破阀剪切盖上、下夹块的拆卸和安装困难,大幅度降低人员劳动强度,提高工作效率,有效降低人员工作时的受辐照剂量。

如图4、图5所示,专用工具由上夹块安装、拆卸工具和下夹块安装、拆卸工具组成。上夹块安装、拆卸工具是一种由螺纹驱动的多连杆升降平台,主要由交叉连接的升降连杆和水平方向布置的螺纹杆作为升降驱动装置,用于顶升和下降上夹块,并在平台顶面布置配管滚轮,在平台顶面两侧布置导向滚轮,用于水平移动取出上夹块。下夹块安装、拆卸工具是一种梯形丝杆驱动的升降平台,主要由一个具备夹块安装导向功能的金属框架作为支撑底座,通过两根导向柱、一根梯形丝杆和一块升降板组成升降机构,用于顶升和下降下夹块。

4爆破阀剪切盖超声无损检测

剪切盖是14英寸爆破阀的重要部件之一,在机组正常运行期间,需依靠一体式剪切盖保证阀门的密封,确保核电站一回路介质不发生泄漏,故爆破阀的解体检查需对剪切盖进行PT或超声检测、目视检查和尺寸测量检查。但是,用传统方法对剪切盖进行PT或超声检测,需将剪切盖从阀体内拆除,不离线检修无法拆除剪切盖。所以,在不离线检修的条件下开发一种专用剪切盖无损检测工艺,是完成爆破阀检修项目的又一措施。

14英寸爆破阀剪切盖的无损检测,既要检测外表面有无划痕、裂纹等缺陷,又要检测内表面有无缺陷,剪切盖需检测部位厚度很小,检测要求高、检测时间窗口较短。为满足上述检测要求,采用两种不同的超声检测方法相结合的超声检测工艺,内表面使用多角度相控阵超声检测,将相控阵探头放置于剪切盖外表面进行轴向扫查:外表面使用超声表面波检测,将表面波探头放置于剪切盖外表面进行轴向和径向扫查,使得爆破阀剪切盖的无损检测无死角,取得了良好的检测效果。

5不离线检修工艺、工具的实施及其结果

在三门核电102、202大修中进行相关不离线检修工艺、工具的应用,顺利完成14英寸爆破阀所有解体检修项目,且实施过程中避免了引入ADS-4管线振动风险。人工用时方面:8人协助操作完成,总检修用时约12h,相较进行离线检修,减少近300人·时,有效缩短了主线时间。辐射剂量方面:环境剂量率约为60μSv/h,集体剂量为5.76mSv:气溶胶检测仪显示的空气污染剂量始终低于3000Bq/m3,未发生人员内照射事件,辐射物控制安全可靠。

6结语

三门核电ADS-4自动泄压系统爆破阀是重要的核安全相关设备,三门核电有限公司结合爆破阀实地布置情况和在役检查项目,自主开发了不离线检修工艺和专用工具、设备,避免了14英寸爆破阀的检修引入ADS-4管道振动风险,掌握了爆破阀检修的核心技术,实现了爆破阀自主检修。爆破阀检修项目全部完成,有效保证了爆破阀在机组正常运行期间功能正常。