核电站稳压器电加热器绝缘失效问题分析

王酹宇 刘世辉 吴俊峰

三门核电有限公司 浙江台州 317112

1 分析背景

核电站稳压器电加热器的主要功能是补偿核反应堆冷却剂体积的变化,并控制一回路系统压力变化在足够小的范围内,保证一回路系统压力边界完整性。电加热器通过加热介质来升压,从而达到调节压力的目的[1-2]。

电加热器为直插浸入管包壳式,每个电加热器均为独立的单元。电加热器内有一个耐腐蚀的不锈钢包壳,包壳一端用端塞焊接,另一端与密封的连接器焊接。连接器的端部与导体相连,导体再与镍铬耐热合金电阻丝相连。不锈钢包壳内用氧化镁绝缘介质压紧填满,作为绝缘材料。电加热器的压力边界部分浸没在核反应堆冷却剂中,辅助部分暴露在安全壳体内。电加热器组件的制造和安装工艺较为复杂,在役核电站更换电加热器施工难度大,由此产生的维修成本极高[3]。电加热器在核电站稳压器中的位置如图1所示。

图1 电加热器在核电站稳压器中位置

笔者针对某AP1000压水堆核电站稳压器电加热器发生的绝缘失效问题进行原因分析,探讨更换电加热器时的装焊工艺优缺点,提出在电加热器后续制造、更换过程中焊接工序的质量监督关注点,为后续类似设备的制造、修理提供参考。

2 问题分析

2.1 现象

某AP1000压水堆核电站核电机组热试期间,发现电加热器断路器下游电缆与电加热器的绝缘不合格,测得电加热器对地电阻值为0.2 Ω,相间不导通,初步判断为电加热器内电阻丝烧坏,并与不锈钢包壳搭接造成短路。为查找原因,将该电加热器从稳压器上切割后取出,返回制造厂进行解体检查。

2.2 解体检查

为查找根本原因,对该电加热器进行了射线探伤,如图2所示。对射线探伤照片进行分析,发现位于电阻丝和引出电极的焊接部位出现断点。对断点所在位置周围50 mm长度范围进行切割解剖,确认引出电极与电阻丝的焊接点末端出现电弧熔断,电阻丝两极之间、电阻丝与不锈钢包壳之间有电弧烧痕,如图3所示。仔细观察两个引出焊接点,发现一端引出焊接点已基本熔化,另一端引出焊接点表面熔化不明显。焊接点基本熔化的一端,电阻丝与引出电极的未焊接区域长度是焊接点表面熔化不明显一端的2～3倍,使电阻丝与引出电极在未焊接区域存在空隙。

图2 电加热器射线探伤

图3 电阻丝断点解剖

2.3 原因分析

电加热器电阻丝焊接区域如图4所示。由于引出电极的材质为镍,电阻率很小,电阻值几乎为零,因此可以将引出电极视为等电位体。电阻丝材质为Cr20Ni80高电阻合金,电阻率大,电阻值较大。电阻丝不同位置的电位不同,距离引出电极与电阻丝搭接焊接端越远,电阻丝与引出电极的电位差就越大。图4中,引出电极A中的a点与电阻丝d点的电位差最大。当电阻丝与引出电极搭接区域未焊接部位较长且又有间隙存在时,电阻丝与电极之间的电位差更大。此处氧化镁绝缘层厚度较薄,在高温下易被击穿产生电弧,导致该处温度在短时间内急剧上升,绝缘失效,从而造成电阻丝电极之间、电阻丝与不锈钢包壳内壁之间产生电弧,最终导致电加热器因电阻丝熔断而失效。解体电加热器发现,电弧烧痕的原因为电阻丝与引出电极之间存在间隙。一旦这一间隙处由电位差产生强电场,电阻丝和引出电极内部的电子在强电场作用下形成强电场发射,游离电子在电场作用下,以极高的速度运动,游离电子相互间的碰撞产生剧烈发热,周围的氧化镁介质由绝缘状态变为气体状态,电阻丝与引出电极之间开始产生电弧燃烧,从而产生大量热量,使附近区域的金属材料烧损。

图4 电阻丝焊接区域

通过分析可知,当电阻丝与引出电极搭接焊缝短,电阻丝搭接末端未焊接部分存在间隙,且间隙部分的区域较长等因素同时作用时,会导致电加热器绝缘失效问题发生。

3 电加热器焊接结构对比

AP1000压水堆核电站稳压器电加热器的结构为直插浸入管包壳式,如图5所示[4]。电加热器处于高温、高压及核辐照环境,启闭频繁,并且承受启停堆温度的交替变化,极易发生损坏。从核电站稳压器电加热器质量问题案例中可以发现,电加热器绝缘电阻不合格、连接电缆脱落、爆管、连接接头烧损等质量缺陷是主要问题[5]。其中,电加热器的装焊质量问题占很大比重。

图5 电加热器结构

CPR1000压水堆核电站稳压器电加热器中,元件与套管焊接结构为电加热器连接件+熔化环+电加热器套管,如图6所示。由于操作空间狭小,焊接方式为自动钨极气体保护焊,需保证电加热连接件、套管、熔化环三者精确对中[6]。

图6 电加热器焊接结构

AP1000压水堆核电站稳压器电加热器垂直安装在下封头的套管中[7],采用角焊接的方式装焊在稳压器下封头套管上,如图7所示。焊接方式为手工氩弧焊,由于空间的局限性,手工焊接难度较大。

图7 电加热器装焊

两种堆型电加热器焊接结构对比见表1。通过比较可以看出,AP1000和CPR1000压水堆核电站稳压器电加热器装焊工序中,母材和焊材都为不锈钢材质,确保了耐腐蚀性能。

表1 电加热器焊接结构对比

从电加热器更换便利性角度比较,CPR1000压水堆核电站稳压器电加热器采用连接件与套管中间加入熔化环的方式,熔化环熔入焊缝,形成永久焊缝的一部分,焊接强度得到一定保证。切割、加工坡口、焊接操作都采用专用工具,自动化程度高,相较于AP1000压水堆核电站,更有利于核电站现场的更换操作。

从电加热器焊接质量检查角度比较,CPR1000压水堆核电站稳压器电加热器完成焊接后,采用目视检查、液体渗透检测、射线检测三种检验方式。而AP1000压水堆核电站稳压器电加热器连接件与套管的连接角焊缝只采取目视检查和液体渗透检测两种检验方式,焊接质量检验方式前者更充分。

从焊缝结构角度比较,两种堆型稳压器电加热器的连接焊缝都是一回路压力边界,对焊缝的质量要求很高,AP1000压水堆核电站稳压器电加热器只有一道角焊缝,而CPR1000压水堆核电站稳压器电加热器则有角焊缝和对接焊缝两道焊缝,增大了泄漏风险。

通过以上比较,两种堆型稳压器电加热器焊接结构不同,AP1000压水堆核电站稳压器运行后电加热器的更换是一个新的课题,需要重点关注四个方面。

(1) 在使用磨头切割角焊缝时,注意切割金属粉末异物,避免粉末异物进入内部,影响清洁度和操作。

(2) 在去除角焊缝时,要从内侧向外侧打磨,避免伤及电加热器套管。要根据打磨深度随时测量套管端面与打磨区域间的尺寸,确保打磨量满足图纸坡口角度和深度要求,避免过度打磨。

(3) 由于AP1000压水堆核电站稳压器电加热器连接焊缝不进行焊后射线探伤检测,因此应在焊接首层和焊满一半两个阶段采用层间液体渗透检测,确保焊接质量。

(4) AP1000压水堆核电站稳压器电加热器连接焊缝采用手工氩弧焊,考虑到操作空间较小,操作中要注意焊接物飞溅问题,避免伤及其它电加热器。

4 焊接工艺改进和监督

根据电加热器更换的经验教训可知,电加热器故障的根源在于电阻丝与引出电极连接接触面太小,造成局部熔断,导致绝缘失效。所以,焊接结构的合理设计是一个关键因素。电加热器传统设计中,采用电阻丝螺旋缠绕、中间填充氧化镁绝缘材料的方式,这样既能够扩大导热面积,提高传热效率,又能够保证绝缘材料的完全密封。但是,这样做电阻丝与引出电极的连接点存在连接面积较小、热量容易集中的问题。电阻丝与引出电极连接位置如图8所示。对此,应该扩大焊接接触面积,增加搭接焊缝,减小搭接末端未焊接部分的间隙,从而降低热量的产生。通过焊接工艺试验对比,电阻丝焊接方式改进如图9所示。改进后,电阻丝第一圈采用平铺缠绕,扩大与引出电极的焊接面积,避免产生热量集中的缺陷。

图8 电阻丝与引出电极连接位置

图9 电阻丝焊接方式改进

从电加热器的制造工艺流程分析,焊接操作是非常重要的工序,包括不锈钢包壳上端与端塞的焊接、不锈钢包壳下端与连接头的焊接、电阻丝与导线棒电极的焊接、电加热器套管与电加热器连接件的焊接等多道焊接工序[8]。可见,对焊接工序的质量监督是重中之重,应重点关注四个方面。

(1) 关注电加热器密封焊接中环境的影响,要注意环境湿度的控制,最好在专用清洁室进行焊接,控制好室温和湿度,并保持温湿度稳定,避免电加热器内部封装的氧化镁绝缘介质受潮,导致绝缘电阻值减小。

(2) 关注电阻丝与引出电极的焊接接触面积,确保机械强度,避免电阻丝焊接过程中出现接触不均匀的现象。

(3) 在进行不锈钢包壳与端塞的焊接时,为避免焊接热量过大导致焊接区域受热不均匀产生较大的温度梯度,导致气孔、热裂纹等焊缝缺陷,应采用钨极气体保护焊等热能量输入较小的焊接方式,以快速、不摆动、多道方式进行焊接,并选择低道间温度和较大保护气流量[9]。

(4) 在更换电加热器时,电加热器套管与电加热器连接件的焊接要注意套管坡口打磨深度和角度的控制。在手工氩弧焊过程中,要注意防护焊接飞溅物。层间焊缝打磨过程中,注意清洁度控制。液体渗透探伤检测后,注意渗透液的去除情况。

5 结束语

从对AP1000压水堆核电站稳压器电加热器绝缘失效问题的处理中可以看到,各种堆型稳压器电加热器的焊接工序是工艺难点,也是质量控制的关键。在对电加热器的更换过程中,装焊工艺的控制、工艺成熟性及更换效率都有较高的要求。关注焊接工艺的适应性和焊接输入量等焊接参数的合规性,是质量监督的重点。笔者对AP1000压水堆核电站稳压器电加热器绝缘失效问题进行分析,提出焊接工艺改进和质量监督关键点,可以供相关技术人员参考。