穿戴式软质保温在EPR核电机组的研究应用.pdf

40第 22 卷第 4 期核 安 全NUCLEAR SAFETY2023 年 8 月讨研 究 与 探段宗辉，李延韬，王硕，等.穿戴式软质保温在 EPR 核电机组的研究应用 J.核安全，2023，22（4）：40-45.Duan Zonghui，Li Yantao，Wang Shuo，et al.Research and Application of Wearable Soft Insulation in EPR Nuclear Power UnitsJ.Nuclear Safety，2023，22（4）：40-45.穿戴式软质保温在EPR核电机组的研究应用段宗辉1，2，李延韬3，王 硕2，毕斗斗1，*（1.华南理工大学，广州 510641；2.中广核工程有限公司，深圳 518000；3.山东招远核电有限公司，烟台 264000）摘要：针对 EPR 核电机组在运行中出现的因设备本体保温效果不佳引起的厂房温度超温问题，本文提出了一种穿戴式软质保温技术，该技术能够有效地提高设备的保温效果，降低核岛稳压器、蒸发器等房间温度并提升设备的安全性能。本文介绍了 EPR 核电机组的概况和厂房温度控制的重要性。本文针对传统硬质保温盒保温技术的不足之处，提出了穿戴式软质保温技术的应用。该技术采用了新型的软质保温材料，根据不同设备形状缝制而成，能够有效地提高设备的保温效果。在实验中，我们采用了多组 EPR 核电机组设备进行了试验对比，结果表明相较于传统的硬质保温盒，穿戴式软质保温材料的贴合度更高、保温效果更好，能够有效降低核岛稳压器、蒸发器等房间的温度。该技术应用能够确保EPR 核电机组设备在运行过程中温度的稳定性，从而提高核电站的安全性和可用性。关键词：穿戴式软质保温；设备；EPR 核电机组；降温中图分类号：TL48 文章标志码：B 文章编号：1672-5360（2023）04-0040-06（European Pressurized Reactor，EPR）机组，该机组是能够满足新安全法规要求和更高经济性要求的新一代改进型压水堆，属于第三代压水堆技术。台山核电充分吸收了法国和德国核电厂的设计、建造和运行经验1，传承了压水堆的关键技术，并采用高可靠性的专用安全设施，最大限度地降低了风险，尽可能将其对环境的放射性影响降至最低2。欧洲先进压水堆机组增加了安全系统的冗余设置3，并采用了隔离准则和多样性原理来确保核电厂“单一事故准则”这一重要安全基石4。EPR 核电机组单机功率1750 兆瓦，是目前世界上单机容量最大的核电机组5，其设备体积、容量均大于其他核电技术EPR 核电机组是目前最先进的三代核电技术之一，保持设备及房间温度的稳定性是保证核电站安全稳定运行的重要因素之一。在某EPR 核电机组运行过程中，曾出现因稳压器房间顶部、蒸发器房间、稳压器安全阀、主蒸汽隔离阀等区域温度超出设计标准值，而不满足运行技术规范对应要求的情况，本文针对该问题提出了一种穿戴式软质保温技术，替代原有的硬质保温盒，有效地解决了 EPR 核电机组运行过程中核岛房间超温问题。1 EPR 核电设备保温设计总体要求台山核电一期工程引进了欧洲先进压水堆收稿日期：2023-04-18 修回日期：2023-06-06作者简介：段宗辉（1990），男，工程师，硕士研究生，现主要从事核电通风设备维修工作*通讯作者：毕斗斗（1976），E-mail：段宗辉等：穿戴式软质保温在 EPR 核电机组的研究应用41Vol.22,No.4,Aug.2023机组，对于设备表面的保温要求也不同于 CPR核电机组，其不同点主要体现在保温性能要求以及保温材料的安装要求上。核电使用传统保温的类型介绍如表 1 所示，按照保温材料分为金属保温和非金属保温6，按照保温介质划分为热保温和冷保温，温度在 60以上称为热保温，温度在 10以下的称为冷保温，本文中介绍的保温均为热保温。表 1 核电使用传统保温介绍Table 1 Introduction to Traditional Thermal Insulation Used in Nuclear Power station保温类型材料构成使用范围热保温岩棉、纳米材料、不锈钢、防火布、金属反射层一回路设备蒸发器、稳压器、安全阀、主泵等区域、二回路管道设备冷保温橡塑棉、胶水、铝箔带核电制冷设备制冷机、冷冻机循环水泵等核电站保温结构设计除了需符合一般工业管道对于热保温的要求外，还要兼顾核电工程本身的特点，主要包括以下几个方面7，如表 2所示：一是核电保温设计要保证在反应堆正常运行期间和瞬态工况时，能满足其结构的完整性；二是保温材质具备良好的耐辐照性能，能够耐高温，其耐热温度要大于设备或者管道的设计温度；三是保温层在设计时应考虑材料环保，且对人体无害，保温本身不会带来放射性尘埃，不会引起辐射；四是保温层结构的设计要结合管道或者设备形状、所处位置考虑，便于维修；五是核电在役检查期间需要对设备焊缝进行检查，保温层在设计时要考虑可达性和可拆性；六是核电在设计时考虑抗震级别，保温在设计时也需要同步考虑整体设计相关要求，在极限安全地震动下，保温层不会对附近安全物项造成灾害（如倒塌）。本文研究的穿戴式保温技术，外部采用耐辐照硅胶面料，内部填充玻璃纤维，硅胶面料密封性较好，具有较高强度，多次受热后也不会引起放射性粉尘，在地震的情况下能与设备牢固地连接在一起，能够满足上述设计要求。表 2 EPR 核电机组设备热保温设计要求Table 2 Design Requirements for Thermal Insulation of EPR Nuclear Power Unit Equipment类别具体要求保温材料保温材料应具有较好的保温性能，能够有效地减少能量的传递和散失，从而达到节能的目的。此外，保温材料还应具有一定的耐火性能和防腐蚀性能，以保证设备的安全和长期稳定运行。结构设计保温结构应该具有良好的密封性和耐久性，以保证设备的长期稳定运行。同时，保温结构还应该考虑到材料的热膨胀系数，避免因温度变化引起的结构变形和应力集中。保温厚度保温层的厚度应根据设备的工作条件和环境温度等因素进行合理的选择，以确保设备的热损失在合理的范围内，并达到节能的目的。施工工艺保温层的施工工艺应该合理，施工质量应达到标准要求。同时，施工过程中应注意保温材料的固定、接缝处的处理和防水防潮等问题，确保保温层的长期稳定性和可靠性。保温效果保温效果应该定期监测和评估，以确保保温层的性能和效果符合设计要求，并及时进行维护和修复。抗震要求保温在设计时也需要同步考虑整体设计相关要求，在极限安全地震动下，保温层不会对附近安全物项造成灾害。2 穿戴式软质保温特性介绍2.1 穿戴式软质保温结构组成穿戴式软质保温主要由外部的硅胶面料、中间玻璃纤维针刺毯（填充棉）、内部不锈钢丝布构成，如图 1 所示，保温之间通过耐高温的钢丝线缝制而成，保温外部通过魔术贴进行 连接。穿戴式软质保温结构在设计上严格按照技术要求与机组设备参数、运行温度匹配。本文研究的穿戴式可拆卸软质保温技术通过模拟仿真进行 3D 量身设计定制，确保达到 100%的精准贴合，相邻保温垫之间采用 45 或阶梯式搭接设计，确保保温的有效性，实物样式见图 2 某核电系统阀门保温成果展示，通过拉紧魔术贴保证保温贴合度及紧密性。42核 安 全Vol.22,No.4,Aug.2023图 2 穿戴式软质保温实物Fig.2 Physical image of wearable soft insulation2.2 新型穿戴式软质保温与传统硬质保温盒特性对比目前国内核电设备大部分采用的仍然是传统硬质保温盒，如图 3 所示，左侧为蒸发器实物图，右侧为改造后采用穿戴式软质保温设备图。传统保温由不锈钢盒、硅酸铝棉袋及不锈钢搭扣构成。其主要优点是结构简单、成本低，缺点是在拆装过程中容易损坏，尤其在回装过程中保温与设备贴合度降低，从而导致保温效果降低，导致厂房内温度升高超出设计基准。目前国内多座核电站换料大修后核岛内厂房超温多与设备保温拆卸后回装不严密有关。图 3 蒸发器表面传统硬质保温盒和穿戴式软质保温Fig.3 Traditional hard insulation box and wearable soft insulation for evaporator surface穿戴式软质保温技术与设备贴合度高、保温效果好、安装要求高，需要专业人士安装，造价高于传统保温技术。传统硬质双壁盒和软质穿戴式保温各有优缺点，如表 3 所示。表 3 新型穿戴式软质保温与传统硬质保温盒比较Table 3 Comparison between new wearable soft insulation and traditional hard insulation box特点传统硬质保温盒穿戴式软质保温材质不锈钢盒子、棉带硅胶布、玻璃纤维效果贴合度差、保温效果不好贴合度好、保温效果好安装要求安装难度低安装难度高，需要专业人员安装成本维护频度高、成本低、造价低、原材料成本低维护频度低、维护成本高、造价高、原材料成本高3 穿戴式软质保温应用情况某 EPR 核电机组稳压器房间在某次停机检修结束后，运行一周出现房间超温，监测温度如图 4 所示，房间最高温度达到 60，超出设计值的 55，主控室出现报警。工作人员通过对稳压器房间通风系统进行分析对比，并对各通风口风量进行测量发现，大修前后通风系统设备状态无差异，风阀开度和朝向均与大修前一致，对风道进行检查，发现无异物堵塞风道，对风道前段表冷器进行检查，表冷器进出口温度正常，进一步检查发现稳压器顶部保温存在较多热点，传统硬质保温接缝处温度达到 241.2，测图 1 穿戴式软质保温结构组成Fig.1 Composition of wearable soft insulation structure段宗辉等：穿戴式软质保温在 EPR 核电机组的研究应用43Vol.22,No.4,Aug.2023量点平均温度达到 90.5，如图 5 所示。4550556065?1?2?3?5?6?7?图 4 系统运行温度变化趋势图Fig.4 Change trend of system operating temperature图 5 EPR 核电稳压器顶部热成像图Fig.5 Thermal Imaging Diagram of EPR Nuclear Power pressurizer核电设备完整性是核电厂安全运行的保 障10，保温也是完整性的一部分。EPR 稳压器保温结构由龙骨与不锈钢保温盒以及钢带、非金属保温棉袋组成，包括可拆卸式与不可拆卸式保温。可拆卸保温与固定钢带之间采用搭扣连接，不可拆卸保温与稳压器本体之间采用不锈钢铆钉连接，保温层从稳压器结构上分为上封头保温、筒体保温、下封头保温（非金属棉袋）三部分，稳压器与保温层之间空隙区域通过棉袋填实。经过现场检查分析认为，在换料大修过程中，对稳压器上封头焊缝进行焊缝检查，硬质保温盒拆装造成不同程度变形，使得固定保温盒之间出现较大缝隙，因此热量会源源不断地向房间内散出，房间温度随之升高，导致稳压器顶部房间温度超出设计限值，最终主控室出现超温报警。稳压器顶部房间温度高还会造成周围仪表使用可靠性减低，影响房间内其他核设施的正常运行。对于核电机组稳压器房间正常运行阶段出现的超温问题，处理起来主要存在如下两个难点：一是机组上行阶段稳压器房间内存在中子辐射，人员存在较高的中子辐射风险；二是设备回装后房间内作业空间狭窄，存在较高的误碰设备风险，影响机组安全上行。3.1 穿戴式软质保温在 EPR 核电机组稳压器上的应用某 EPR 核电机组稳压器在首次换料大修后出现房间超温现象，经设计、运行、维修各部门商讨后决定采用将原有的硬质保温盒替换成穿戴式软质保温的改造方案，对稳压器本体与框架之间出现的房间内热量流场进行重新分配，保证房间内温度探头探测到的温度更加接近真实值。在改造过程中，对采用穿戴式保温的稳压器与未采用的进行对比试验，结果如图 6 所示，平均温度下降达到 10，结果证明，采用穿戴式软质保温，保温效果优于原有硬质 保温盒。图 6 系统运行温度变化趋势图Fig.6 Trend Chart of Operating Temperature in the Pressurizer Room3.2 穿戴式软质保温在 EPR 核电机组主蒸汽隔离阀中的应用主蒸汽系统在核电站运行中承担了重要的安全功能。在发生安全壳内主蒸汽管道破裂事故时，主蒸汽隔离阀限制蒸汽释放，从而44核 安 全Vol.22,No.4,Aug.2023避免超过安全壳设计压力9。主蒸汽隔离阀动作的有效性和可靠性，直接影响核电站的运行安全。在某 EPR 核电运行期间，受阀门本体热辐射与对流影响，主蒸汽隔离阀限位开关曾长期出现超温现象，温度最高达到 100，温度升高会影响限位开关动作的有效性，可能引起设备误动，从而引发反应堆紧急停堆事故 发生。当主蒸汽隔离阀内部流动介质达到 300以上时，传统保温技术采用的硬质保温盒保温效果无法满足设计要求10。硬质保温盒在拆卸回装后，接缝区域难免出现间隙，保温盒内棉毡分布不均匀，这些都会降低保温效果。调查研究发现，目前市面上生产的新型可拆卸穿戴式软质保温能有效解决上述问题，经设计、运行、维修各方评估，可拆卸穿戴式软质保温技术在某 EPR 机组上得到了成功应用。通过 3D 建模方式，根据主蒸汽隔离阀物理结构定制出对应的保温技术，新型软质保温贴合度更高，在对主蒸汽等系统隔离阀进行改造后，限位开关表面温度出现大幅度下降，如图 7 所示，平均温度至少下降 10（图中 VVP 为主蒸汽隔离系统，ARE 为主水系统）。另外，新型软质保温拆装更便捷，能够缩短关键路径时间，提质增效，带来经济效益。4 总结穿戴式软质保温技术是一种新型的保温技术，在某 EPR 核电机组研究中得到了应用。该技术采用软质材料和穿戴式设备相结合的方式，能够有效地提高 EPR 核电机组设备的保温效果，确保设备正常运行。本文通过对某 EPR核电机组的概述，介绍了软质保温特性，并进行了试验验证。试验结果表明，该技术能够有效地解决核电站设备在运行过程中出现的房间超温、设备超温等问题，提高了热能利用率，缩短了大修工期，具有良好的社会效益和经济效益。应用穿戴式软质保温技术可以提高核电站的安全性和稳定性，可以考虑将其纳入核电厂初始设计范畴，在设计施工阶段进行评估，能够有效解决当前各核电厂房出现的部分通风难题。本课题研究的穿戴式保温技术在某 EPR 核电机组的成功应用，为华龙一号机组的商业运行提供了可借鉴的成功示范，希望后续在其他核电厂能够得到广泛应用11。参考文献1 耿文行，赵月扬.法国 CP1-CP2 系列核电机组安全重要设备分级的经验反馈J.核安全，2007（01）：46-52.2 刘栋，王宏印，张甬.核电厂设备鉴定的过程控制与管理图 7 主蒸汽隔离阀限位开关温度变化趋势图Fig.7 Temperature Change Trend of Main Steam Isolation Valve Limit Switch段宗辉等：穿戴式软质保温在 EPR 核电机组的研究应用45Vol.22,No.4,Aug.2023J.核安全，2013（02）：73-77.3 李亮，范瑾，唐立学.核电厂安全级设备鉴定及技术发展的探讨J.核安全，2015（02）：61-64.4 郎爱国.核电厂和缓环境、显著老化机理与设备鉴定J.核安全，2006（03）：15-20.5 项建英，王进，杨凯，等.EPR 首堆机组调试监督及经验浅谈J.核安全，2021，20（3）：1-6.6 南小飞，刘悦强.金属反射型保温结构在核电的应用 J .工艺与技术，2014（30）：117-118.7 核工业标准化研究所.压水堆核电厂反应堆压力容器及反应堆冷却剂系统管道和设备保温层设计准则：NB/T 20343-2021S.北京：中国标准出版社，2021.8 中广核工程有限公司.压水堆核电厂核岛设计第三卷核岛工艺系统和布置设计M.北京：原子能出版社，2010，9：566.9 顾林峰，白杉，王超.核电站用主蒸汽隔离阀性能分析J.阀门，2018（4）：19-22.10 梅金娜，蔡振，韩姚磊，等.EPRI蒸汽发生器完整性评估导则解读J.核安全，2018，17（01）：26-33.11 段宗辉，李延韬，毕斗斗.EPR 核电机组核反应堆厂房临时空调通风系统方案研究应用J.核安全，2023，22（2）：5.Research and Application of Wearable Soft Insulation in EPR Nuclear Power UnitsDuan Zonghui1,2,Li Yantao3,Wang Shuo2,Bi Doudou1,*（1.South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.China Guangdong Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.Shenzhen 518000,China;3.Shandong Zhaoyuan Nuclear Power Co.,Ltd.Yantai 264000,China）Abstract：IntheoperationofEPRnuclearpowerunit,theproblemofhighplanttemperaturecausedbythepoorthermalinsulationeffectoftheequipmentbodyoccurs.Thispaperproposesawearablesoftthermalinsulationtechnologyforthisproblem,whichcaneffectivelyimprovethethermalinsulationeffectoftheequipment,effectivelyreducethetemperatureofthenuclearislandpressurizer,evaporator,andotherrooms,andimprovethesafetyperformanceoftheequipment.ThispaperintroducestheoverviewofEPRnuclearpowerunitandtheimportanceofplanttemperature.Inviewoftheshortcomingsofthetraditionalhardinsulationboxinsulationtechnology,theapplicationofwearablesoftinsulationtechnologyisproposed.Thistechnologyadoptsnewsoftthermalinsulationmaterialssewnaccordingtodifferentequipmentshapes,whichcaneffectivelyimprovethethermalinsulationeffectoftheequipment.Intheexperiment,weusedseveralsetsofEPRnuclearpowerunitequipmentfortestandcomparison.Theresultsshowthatcomparedwiththetraditionalrigidinsulationbox,ithasahigherfittingdegreeandbetterinsulationeffect,andcaneffectivelyreducetheroomtemperatureofnuclearislandpressurizer,evaporatorandotherrooms.TheapplicationofthistechnologycanensurethetemperaturestabilityofEPRnuclearpowerunitequipmentduringoperation,thusimprovingthesafetyandstabilityofnuclearpowerplant.Key words：wearablesoftinsulation;Equipment;EPRnuclearpowerunit;cooling责任编辑：（梁 晔）