AP1000核电机组Quickloc机械密封的结构和拆装工艺

王培源

(三门核电有限公司，浙江 三门 317112)

1 问题的提出

AP1000核电机组Quickloc机械密封作为核反应堆压力容器顶盖堆内仪表贯穿件与外界的接口模块，是一回路的压力边界。在每次换料大修期间，反应堆压力容器顶盖开盖前要拆除Quickloc机械密封，反应堆压力容器顶盖扣盖后要安装Quickloc机械密封。AP1000核电机组Quickloc机械密封依靠其合理的结构及拆装工艺保证了密封性。若操作不当，存在一定的风险，可能引起一回路压力、介质泄漏，因此需要引起核电站操作、调试和维修人员的高度重视。

2 Quickloc机械密封的结构

AP1000核电机组Quickloc机械密封依靠其本身的设计结构能够与外部仪表管嘴迅速进行连接/脱开，有效降低了大修期间维修人员在执行此项工作时的辐射吸收剂量。AP1000核电机组Quickloc机械密封在压力容器顶盖上的位置如图1所示。

图1 AP1000核电机组Quickloc机械密封位置

AP1000核电机组 Quickloc机械密封结构的主要特点如下。

(1)AP1000核电机组反应堆压力容器堆内仪表数量为42个，在其经过堆内仪表栅格板后分为8组，其中有6组的单组堆内仪表数量为5个，其余2组的单组堆内仪表数量为6个。根据堆内仪表的组配情况，AP1000核电机组Quickloc机械密封共计8个，2个1对，4对Quickloc机械密封均匀分布在反应堆压力容器顶盖周边。

(2)AP1000核电机组Quickloc机械密封采用快速连接/脱开的方式与堆外仪表管线接头进行配合，快速连接/脱开主要依赖于其自身的机械密封结构。AP1000核电机组Quickloc机械密封结构主要包括：堆内仪表管嘴贯穿件、压盖螺母、密封压盖、密封环、密封骨架、堆内仪表导管支撑等。AP1000核电机组Quickloc机械密封结构如图2所示。

图2 AP1000核电机组Quickloc机械密封结构

(3)AP1000核电机组Quickloc机械密封的拆装工艺快捷、方便。Quickloc机械密封的安装可以几个同时进行，也可单个依次进行。

3 Quickloc机械密封的拆装工艺

从AP1000核电机组Quickloc机械密封在反应堆主冷却剂系统中所处的位置及其自身结构特点来看，其机械密封结构的有效性决定着一回路压力边界的完整性，因此AP1000核电机组Quickloc机械密封的拆装操作显得格外重要。

3.1 Quickloc机械密封的拆卸

3.1.1 拆除堆内仪表导管支撑

堆内仪表导管支撑结构如图3所示，其拆除按以下步骤进行。

图3 堆内仪表导管支撑结构

(1)拆除堆内仪表导管支撑柱上的内六角螺钉和垫圈，移除固定板，拆除支撑柱。

(2)将内六角螺钉、垫圈、固定板、卡环和支撑柱存放到工具箱内并妥善保管。

(3)用尼龙扎带将堆内仪表导管与外部接头处捆扎起来，方便后期套入子弹头保护套管或拆卸工具。

3.1.2 拆除机械密封

AP1000核电机组Quickloc机械密封拆卸安装工具如图4所示，其拆除步骤如下。

图4 AP1000核电机组 Quickloc机械密封拆卸/安装工具

(1)将Quickloc机械密封拆卸工具的液压缸套到密封压盖上。

(2)将拆卸工具的支撑环安装到液压缸上，使支撑环底部的6个插销插入到液压缸顶部的销孔中。

(3)将拆卸工具的3个负载臂安装到支撑环上，确保负载臂的下端在Quickloc机械密封仪表管嘴下法兰的凸台以下，负载臂的上端位于支撑环的上端面。

(4)用快速接头软管将手压泵与液压缸相连。

(5)确认手压泵的泄压阀处于关闭状态，将手压泵升压至(46 195±689) kPa。

(6)手动逆时针旋拧压盖螺母至少1圈，如果压盖螺母不能用手拧松，可以使用配套工具加力杆。

(7)打开手压泵的泄压阀，对液压缸进行泄压。

(8)向下按压负载臂上端，直至能顺利移除负载臂。

(9)拆除连接到液压缸上的液压软管。

(10)拆除负载臂、支撑环及液压缸。

(11)拧出压盖螺母，放到工具箱内并妥善保管。

(12)拆除密封压盖，放到工具箱内并妥善保管。

(13)将密封环骨架拆卸工具向下完全插入到Quickloc机械密封管嘴内，逆时针旋转直到工具抓住密封环骨架为止。密封环骨架拆卸/安装工具如图5所示。

图5 密封环骨架拆卸/安装工具结构示意图

(14)逆时针转动工具向上提拔，拆除密封环骨架。如果密封环骨架无法拆除，可以用上面提到的手压泵对工具升压，其压力值最大为4 413 kPa。

(15)将拆下的旧密封环骨架放入工具箱并妥善保管(如果上一步骤使用了手压泵，则本步骤需要对手压泵泄压)。

(16)在Quickloc机械密封管嘴的螺纹处涂抹抗咬合剂，后续将子弹头螺纹保护套管安装到Quickloc机械密封管嘴上。

3.1.3 安装子弹头保护套管

(1)保护套管安装前，将2个涂有Neolube No.1润滑脂的密封环安装到保护套管内。将保护套管对准Quickloc机械密封仪表柱，缓慢下降保护套管，将堆内仪表导管接头套入到保护套管内。当保护套管无法继续下移(此时保护套管底部距离完全就位还有约35 mm左右)时，顺时针旋转保护套管，使保护套管上的锁紧销进入仪表柱的L形槽。继续缓慢下移保护套管，直至保护套管完全就位，最后顺时针旋转到底(约为15°)。

(2)用力向上拔起保护套管，若保护套管拔不动，则说明保护套管已经锁紧固定。

(3)关闭一体化堆顶组件下屏蔽罩上的进气门。

3.2 Quickloc机械密封的安装

3.2.1 拆除子弹头保护套管

(1)逆时针旋转保护套管(约为15°)直到感觉停顿为止，然后竖直向上缓慢拔出。此过程要小心谨慎，避免损坏堆内仪表导管接头。

(2)将子弹头保护套管拆除后，放入工具箱并妥善保管。

(3)清洗Quickloc机械密封管嘴的螺纹部分，去除螺纹上的残余抗咬合剂及其他异物。

3.2.2 安装机械密封

(1)使用密封环骨架拆卸工具将密封环骨架安装到Quickloc机械密封管嘴内。在安装过程中，可用手轻微晃动Quickloc机械密封仪表柱堵塞头，以便密封环骨架组件能顺利就位。

(2)依次将密封压盖和压盖螺母安装到密封环骨架上。在安装过程中需小心谨慎，以免损坏堆内仪表导管接头。

(3)如果压盖螺母能拧到Quickloc机械密封堆内仪表管嘴外螺纹上，则用手拧紧压盖螺母。如果压盖螺母不能拧到Quickloc机械密封管嘴外螺纹上，则将压盖螺母就位在密封压盖上。

(4)将拆卸工具的液压缸套到密封压盖上。

(5)将支撑环安装到液压缸上，使支撑环底部的插销插入到液压缸顶部的销孔中。

(6)用快速接头软管将手压泵连接到液压缸上。

(7)确认泵的泄压阀处于关闭状态。缓慢升压至(44 816±689) kPa，用手向下旋紧压盖螺母，确保液压缸的底部不接触到压盖螺母。目视确认密封压盖顶部环槽的底部高于压盖螺母的上端面。

(8)打开泵的泄压阀进行泄压。

(9)确认密封压盖顶部环槽的底部高于压盖螺母的上端面。

(10)拆除连接到液压缸上的液压软管。

(11)拆除负载臂、支撑环及液压缸。

3.2.3 安装堆内仪表导管支撑

(1)拆除堆内仪表导管接头上的尼龙扎带。

(2)检查Quickloc机械密封堵头的螺孔及周围是否有异物，若有则用绸布擦拭干净。

(3)将支撑柱安装到Quickloc机械密封堵头的螺孔中。

(4)将固定板安装到支撑柱上。

(5)用内六角螺钉和垫圈将固定板紧固到支撑柱上。

(6)仪控专业人员将MI电缆连接到相应的堆内仪表导管接头。

3.2.4 检验机械密封

当机组处于启动模式(反应性状况Keff≥0.99，平均温度≈291.7 ℃)时，检查确认8个Quickloc机械密封管嘴处有无泄漏，若存在泄漏，则需要做进一步检查。

4 Quickloc机械密封拆装操作异常分析

尽管AP1000核电机组 Quickloc机械密封有合理规范的拆装工艺，但由于人因失误和机械结构本身特性，在拆装过程中仍可能会出现一些异常情况，分析如下。

4.1 拆卸过程中压盖螺母未处于卸载状态

在机械密封拆卸过程中，由于种种原因，压盖螺母未能达到卸载状态，应重新确认液压工具手压泵的泄压阀处于关闭状态并进行升压操作。

4.2 确认密封面高度时发现仪表柱需要提升

在回装机械密封过程中确认密封面高度时，如果Quickloc机械密封仪表柱顶部的高度低于高度尺下刻度线，则需要对仪表柱高度进行提升。首先将子弹头保护套管安装到低于高度刻度线的仪表柱上，用吊带将保护套管连到电子秤上，然后手动向上拔起保护套管至合适的位置。在提拔的过程中，要注意用密封面与高度尺比对，以防止提升过度。

4.3 密封骨架安装时装反

在回装机械密封过程中，如果密封环骨架装反了，可以使用2个专用的翻转密封环骨架的拆卸工具通过螺纹拧到密封环骨架上，2个工具对称布置，手动将密封环骨架拉出，然后重新安装。

4.4 压盖螺母不在密封压盖环槽底部以下

如果压盖螺母能拧到Quickloc机械密封管嘴外螺纹上，则用手带紧压盖螺母。如果压盖螺母不能拧到Quickloc机械密封管嘴外螺纹上，则将压盖螺母就位在密封压盖上。确认密封压盖的环槽底部高出压盖螺母的上端面，若不能满足要求，则拆除压盖螺母重新安装确认。若重新安装压盖螺母仍不能满足要求，则拆除压盖螺母和密封压盖，检查压盖螺母和密封压盖上是否有异物。这样可避免压盖螺母对液压缸的就位产生干涉，能够使液压工具的力直接作用到密封压盖上。

4.5 负载臂下端不在仪表管嘴下法兰凸台以下

回装时若3个负载臂下端不在Quickloc机械密封仪表管嘴下法兰凸台以下，将Quickloc机械密封压盖螺母液压拆卸工具的2个负载臂组件安装到支撑环上，注意此时负载臂的上端位于支撑环的下端面。

用快速接头软管将手压泵连接到液压缸上。确认泵的泄压阀处于关闭状态，缓慢升压至(3 447±689) kPa，在升压的同时用手顺时针旋紧压盖螺母，确保液压缸的底部不接触到压盖螺母。在安装3个负载臂时，确保负载臂的下端位于Quickloc机械密封仪表管嘴下法兰凸台以下。

4.6 部分紧固件松动

在电厂运行期间，受热胀冷缩的影响，部分机械紧固部件可能会出现松动现象。

笔者了解到某电厂在换料大修堆顶作业过程中，发现堆芯热电偶密封结构处有硼结晶现象，说明此处发生了一回路的压力泄漏。经研究发现，泄漏时间为反应堆停堆换料前的主系统降温降压阶段。此后开始查找泄漏原因：随着主系统的压力下降，热电偶部分密封结构回缩，使得上部密封垫片得不到足够的压缩力，从而导致上部密封失效，根本原因还是紧固部件的预紧力不够。

5 Quickloc机械密封运行期间的预防措施

5.1 预紧力检查

AP1000核电机组Quickloc机械密封结构外力主要来源于压盖螺母，因此，最初若达不到预紧力效果也会发生上述相似事件。

预防措施：在系统升温升压过程中的冷态和热态期间，分别对AP1000核电机组Quickloc机械密封结构进行密封性检查，应重点对压盖螺母拧紧力矩值进行检查。这样能够有效避免由于密封部件在热胀冷缩作用下而产生预紧力波动。

5.2 增加Quickloc机械密封引漏装置

增加AP1000核电机组Quickloc机械密封的引漏装置，可避免泄漏的硼酸水流到压力容器顶盖表面，这样即使AP1000核电机组Quickloc机械密封结构处发生泄漏，也无需清洁压力容器顶盖表面，为大修主线节省了宝贵时间。

5.3 制作Quickloc机械密封结构的模拟体

制作Quickloc机械密封结构模拟体，除用于大修外，还可用于Quickloc机械密封结构原理和安装操作的相关模拟培训，可有效提高操作人员技能，降低现场操作风险。

6 结束语

AP1000核电机组Quickloc机械密封由于其所处位置和结构特性的要求较严，对其机械密封结构的拆卸和安装都有严格的限制。AP1000核电机组Quickloc机械密封结构简单、实用，再加上其拥有合理规范的拆装工艺，因此具有较好的预期密封效果。但由于目前AP1000核电机组Quickloc的机械密封结构尚未投入使用，尚未对其相应部件进行过实际操作，因此，必须对AP1000核电机组Quickloc机械密封制订完善的操作规程，通过提出注意事项和制订运行限制措施来减少人为因素带来的风险。

AP1000核电机组Quickloc机械密封运行过程中，电厂调试和维修人员应从以下几方面避免潜在问题的发生：应密切跟踪AP1000核电机组Quickloc机械密封的首次安装操作；参与到后续的设备调试过程中，充分掌握AP1000核电机组Quickloc机械密封结构特性；需要制订完善的运行规程来指导实际操作。

运行人员必须充分熟悉AP1000核电机组Quickloc机械密封的结构、性能参数、运行条件和完整的运行文件体系，才能有效地控制可能存在的风险，达到预期的密封效果，从而有效保证反应堆一回路压力边界的完整性。

参考文献：

[1]林诚格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京： 原子能出版社，2010.

[3]沈秋平，贺友光.核电站反应堆热电偶机械密封件研究[R].上海:上海核工程研究设计院,1991.