核電廠(chǎng)堆芯熱電偶接頭故障修復

摘要:核電廠(chǎng)堆芯熱電偶用于堆芯冷卻劑溫度監測，是堆芯參數監視的關(guān)鍵設備。因特殊的使用環(huán)境,熱電偶設計為分段式結構，其各段間的連接器成了易損點(diǎn)，而其中的A接頭最易損壞，而熱電偶更換困難。為了應對堆芯熱電偶A接頭的故障，探索一套可行的維修方案，通過(guò)改進(jìn)原接插件,增加注膠套件，以容納絕緣、密封樹(shù)脂和鎧裝固定;采用柔性芯線(xiàn)作為接頭信號引出線(xiàn)，提高操作靈活度;應用絕緣的熱凝固樹(shù)脂密封，有利于除潮處理;應用冷壓壓接工藝，芯線(xiàn)連接可靠性高、易操作，采用絕緣瓷珠剛性分隔和樹(shù)脂填充膠粘的綜合絕緣處理方案，方案穩定高效;采用卡套進(jìn)行鎧裝固定，成熟可靠;提出了高溫熱環(huán)物理屏蔽潮氣方案，確保絕緣關(guān)鍵參數可控。
0引言
　　核電機組堆芯熱電偶安裝在反應堆內部，每臺機組安裝40只熱電偶，用于監測堆芯冷卻劑溫度。因特殊的使用環(huán)境，熱電偶設計為分段式結構，賂段間的連接器成了易損結構。連接器主要包括:插針、插座、保護套、鎖緊螺母等
　　因熱電偶對絕緣要求高，結構精細,一般出現故障時(shí),推薦整體更換。但與熱電偶一體的A接頭，因堆芯熱電偶插入堆芯安裝，實(shí)施整體更換的難度很大，且經(jīng)驗統計成功率低。一套技術(shù)可靠、穩定、工藝適用的機組堆芯熱電偶接頭修復方案成為了迫切需要。
1堆芯熱電偶結構和測量原理
　　堆芯熱電偶為K型鎧裝熱電偶，直徑約為3.17mm,長(cháng)度約為6.5~9.2m,精度為±1.5℃,其核島內部分被A-B、C-D結構分成了三段，其中A-B接頭安裝在壓力容器頂蓋上方,結構如圖1所示。熱電偶從反.應堆壓力容器頂部的四個(gè)熱電偶柱，沿著(zhù)內徑為6mm的堆芯構件導向管插入堆芯，路徑經(jīng)多個(gè)轉彎，將熱電偶安裝到40個(gè)不同燃料元件的出口位置。電勢信號經(jīng)補償導線(xiàn)，送到堆芯溫度測量機柜進(jìn)行冷端補償，并經(jīng)溫度變送器將熱電勢信號轉換成4~20mA電流信號，用于堆芯飽和溫度計算和堆芯溫度的顯示。
 
2堆芯熱電偶接頭故障及處理方案分析
　　機組堆芯熱電偶因其特殊的使用環(huán)境、安裝方式和結構特點(diǎn)，在其運行和維護過(guò)程中，故障主要集中在接頭位置。在機組運行期間，因一回路冷卻劑流動(dòng),A、B接頭隨著(zhù)壓力容器小幅振動(dòng)，接插件與熱電偶線(xiàn)芯之間的焊接會(huì )受振動(dòng)影響，導致焊點(diǎn)松動(dòng)而虛接。在每個(gè)燃料循環(huán)，因核反應堆換料的需要，每次均需要拆除和回接A-B接頭和C-D接頭，在接頭拆卸以及跟隨壓力容器大蓋移動(dòng)過(guò)程中，接頭存在碰撞損壞的風(fēng)險。在重連時(shí)存在插針彎折風(fēng)險,受現場(chǎng)空間狹小、照明昏暗,環(huán)境輻射計量高等的影響，人員操作錯誤，將接頭的插針和插座錯位，導致插針折彎損壞。B-C接頭之間的補償電纜路徑較短且位置可達，因此采取重新敷設整段電纜的維修策略。與熱電偶一體化的A接頭因部分插入堆芯，檢查和操作困難，處理難度大，因此針對A接頭故障的處理是研究的重點(diǎn)。
2.1堆芯熱電偶整體更換方案
　　機組堆芯熱電偶與導向管之間的間隙較小，且導向管長(cháng)期在高溫高壓環(huán)境中，可能存在變形，因此熱電偶在導向管中運動(dòng)時(shí)存在較大摩擦力，尤其在熱電偶插入時(shí)，如熱電偶插入不到位，測點(diǎn)偏差將導致溫度不準確。堆芯熱電偶的設計壽命為40年，與反應堆的設計壽命一致，也是考慮更換的難度，堆芯熱電偶整體更換存在較大風(fēng)險。
　　熱電偶整體更換的維修周期長(cháng)，首先需在機組大修窗口完成故障點(diǎn)的確認，并通過(guò)水下視頻檢查，查看熱電偶導向管是否有明顯變形;因每根熱電偶的長(cháng)度不一樣，需將熱電偶和接頭備件送至廠(chǎng)家進(jìn)行定制加工，國外廠(chǎng)家周期一般至少需要10個(gè)月，因此最快能在下一個(gè)燃料循環(huán)完成更換。整體更換熱電偶機會(huì )只有一次，一旦將熱電偶拔出后，插入過(guò)程無(wú)法到位,將徹底失去該測點(diǎn)，根據同行經(jīng)驗反饋，成功率在50%以下。
2.2堆芯熱電偶A接頭修復方案
　　根據上述故障原因分析以及同行運行經(jīng)驗，熱電偶一A接頭這段的故障，大部分故障點(diǎn)是在A(yíng)接頭。A接頭一般距離熱電偶與導向管之間的密封卡套有20~30cm,故障的A接頭剪切后還有足夠的余量對接一個(gè)類(lèi)似的接頭，甚至有多次更換機會(huì )，即使維修不成功，導致熱電偶損壞，還可以執行熱電偶整體更換。A接頭的更換操作在堆芯外部，不涉及堆芯內部的熱電偶，工作量小，維修周期短。因此研究A接頭更換的技術(shù)和工藝具有重要意義。
3堆芯熱電偶A接頭修復工藝研究，
3.1關(guān)鍵技術(shù)分析
　　熱電偶安裝和使用環(huán)境特殊,不具備校驗條件,因此堆芯熱電偶的維修質(zhì)量主要由熱電偶回路環(huán)線(xiàn)電阻和線(xiàn)芯對地絕緣電阻兩個(gè)關(guān)鍵參數表征。因此堆芯熱電偶接頭維修的關(guān)鍵技術(shù)和工藝主要是表1中的幾個(gè)方面。
 
3.2技術(shù)方案分析
3.2.1A接頭維修的流程
　　堆芯熱電偶A接頭的維修主要有5個(gè)主要步驟，如圖2所示，這5個(gè)步驟并不是孤立存在的，在維修技術(shù).和工藝選擇時(shí)，需要綜合考慮對其他環(huán)節的影響，如維修A接頭預制時(shí)，要考慮接插件的引出線(xiàn)是否利于與熱電偶的對接，A接頭與熱電偶的鎧裝固定，芯線(xiàn)對接后的密封處理。
 
3.2.2維修A接頭的預制
　　A接頭和熱電偶一體的堆芯熱電偶由接插件、保護套筒、固定套、熱電偶四個(gè)部件構成，接插件與熱電偶信號線(xiàn)芯連接后，保護套筒用于保護接插件連接點(diǎn)，并對連接點(diǎn)進(jìn)行密封處理，固定套用于將A接頭與熱電偶鎧裝固定。
　　為便于維修，在原A接頭結構的基礎上設計了兩個(gè)套件，如圖3套件1其結構分為三個(gè)部分，使用激光焊接將①端面與廠(chǎng)家供貨的組件焊接,組成“維修A接頭”，②和③部分外徑均為8mm,將作為剛性固定的上支點(diǎn),長(cháng)度足夠卡套固定，③內部的圓柱型腔體用于收納瓷珠，在信號線(xiàn)對接后，瓷珠下滑到對接點(diǎn)。完成組裝的維修A接頭，如圖3所示，尾部是從接插件引出的信號線(xiàn)芯，在設備現場(chǎng)與熱電偶線(xiàn)芯對接。
 
　　圖4套件2作為鎧裝固定的下支點(diǎn)，其內部空腔用于容納絕緣和密封材料，結構尺寸與套件1相匹配。
3.2.3信號線(xiàn)芯材料選擇
　　堆芯熱電偶的信號線(xiàn)芯為2根0.5mm左右的鎳合金單芯線(xiàn)纜，硬度較硬，如維修A接頭仍使用相同的芯線(xiàn)，在連接時(shí)的位置調整將很困難;在鎧裝固定時(shí)，存.在周向的旋轉，容易導致連接點(diǎn)受力，出現線(xiàn)芯扭轉,導致連接點(diǎn)脫開(kāi)。經(jīng)調研了一種柔性的K型熱電偶線(xiàn)芯，其線(xiàn)芯表面包裹有一層能耐高溫(86℃)和耐輻射(1×10⁶Gy)的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，經(jīng)試驗驗證信號傳導性能與原熱電偶線(xiàn)芯一-致，柔軟的材質(zhì)，有很高的自由度4。因此在維修A接頭預制過(guò)程中，將柔性電纜直接焊接在插針上，用樹(shù)脂進(jìn)行固定和密封，柔性電纜具有良好的彎曲性，便于與熱電偶連接操作，在固定過(guò)程中具有較大的調整活動(dòng)空間。
3.2.4信號線(xiàn)芯現場(chǎng)對接
　　考慮到維修后的鎧裝恢復，熱電偶鎧裝破壞應盡量少，芯線(xiàn)只能露出很短一段，一般在2cm左右，且原熱電偶線(xiàn)芯硬度硬，因此信號線(xiàn)的可調距離較小。受現場(chǎng)安裝環(huán)境限制，激光焊接設備無(wú)法進(jìn)入現場(chǎng)使用;電弧焊無(wú)法找到電流施加接點(diǎn);相對可行的氣體焊，因芯線(xiàn)直徑只有0.5mm大小，火候不易把握，容易產(chǎn)生虛焊導致焊接不牢或者加熱過(guò)度，導致芯線(xiàn)融斷，對操作技能和熟練度要求高,而且操作過(guò)程有很大的安全風(fēng)險。
　　借鑒儀控信號端接常用的壓接方式，將信號芯線(xiàn)重疊,外面套上鎳鉻和鎳鋁合金小圓管，與K型熱電偶芯線(xiàn)相融，不會(huì )產(chǎn)生化學(xué)反應，適應輻射環(huán)境。使用壓線(xiàn)鉗進(jìn)行冷壓對接，冷壓連接作為儀控領(lǐng)域常用的端接方式，在泵和風(fēng)機等振動(dòng)較大的環(huán)境中普遍使用，經(jīng)驗證連接可靠。冷壓操作簡(jiǎn)單，壓接工具適用于堆芯熱電偶現場(chǎng)環(huán)境，芯線(xiàn)重疊壓接，保證信號有效傳輸，不會(huì )在.連接點(diǎn)引入其他材料。
3.2.5切口密封處理
　　熱電偶探頭鎧裝與信號電極之間填充的絕緣材料為氧化鋁，具有極強的吸水性，暴露在空氣中極易受潮,而反應堆廠(chǎng)房的環(huán)境難以精確控制，因此在切割后需進(jìn)行快速的密封，防止熱電偶絕緣材料受潮。因此密封材料的密封性能以及在現場(chǎng)的可操作性，決定著(zhù)能否控制維修后的熱電偶絕緣大于20GΩ(250V)。在密封材料的選擇上，須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求:
(1)耐壓絕緣性能好,能實(shí)現堆芯熱電偶的絕緣要求
(2)具有一定的流動(dòng)性，能方便注入到剪切口中，且均勻地覆蓋在切口表面;
(3)與熱電偶金屬鎧裝材料親和，浸潤性好;
(4)能夠快速形成密封;
(5)耐高溫環(huán)境;
(6)耐輻照。
　　經(jīng)調研某種環(huán)氧樹(shù)脂，23℃下粘度為6.0~12Pa·s,.電阻率大于1×10¹³Ω·cm，固化溫度150℃(1小時(shí))，固化后運行環(huán)境耐受-55℃~250℃，累積輻照耐受值大于8.5×10⁵Gy。通過(guò)比例調配，可控制流動(dòng)性和凝固時(shí)間，與不銹鋼親和，通過(guò)高溫烘烤能快速凝固，凝固后絕緣性能好，該型樹(shù)脂的熱凝固特性與通過(guò)加熱來(lái)排除和防止熱電偶受潮相互匹配。該樹(shù)脂也同時(shí)用于維修A接頭套管1的絕緣填充物，以及維修A接頭與熱電偶對接后的套件2的填充。
　　除了材料的選擇的重要性外，剪切原A接頭的過(guò)程也非常重要，在剪切時(shí)，需注意保持鎧裝截面的圓度,另外，剪切口需使用酒精進(jìn)行清理和清潔。
3.2.6信號芯線(xiàn)的絕緣處理
　　維修A接頭預制時(shí)，在保護套筒中填充環(huán)氧樹(shù)脂,進(jìn)行了密封和絕緣，在樹(shù)脂凝固前通過(guò)加熱充分排濕。
　　維修A接頭在現場(chǎng)與熱電偶對接位置的線(xiàn)芯是裸露的，在完成對接后需進(jìn)行絕緣處理。為避免在樹(shù)脂凝固前芯線(xiàn)與外殼相互之間接觸影響絕緣，同時(shí)縮短樹(shù)脂凝固時(shí)間，使用了雙孔絕緣瓷珠，進(jìn)行剛性分隔，樹(shù)脂填充縫隙，并膠結密封以及固定。經(jīng)驗證修復后的熱電偶芯線(xiàn)與地之間的絕緣值約為46GΩ(250V)。
3.2.7連接點(diǎn)的鎧裝固定處理
　　維修A接頭與熱電偶完成信號芯線(xiàn)對接后，采用了樹(shù)脂凝固對接點(diǎn)和卡套剛性支撐保護兩種方式，對連接點(diǎn)進(jìn)行固定和保護。在完成芯線(xiàn)對接后，將雙孔瓷珠套在對接點(diǎn)位置，套件2移動(dòng)到適當位置，使信號線(xiàn)對接點(diǎn)在套件2腔體的中部，套件2的腔體中注入樹(shù)脂,并凝固對連接點(diǎn)進(jìn)行密封和保護。
　　套件1和套件2在設計時(shí)考慮了卡套的安裝，套件1的第②和③部分作為卡套的上支點(diǎn)，套件2作為卡套的下支點(diǎn)，在完成芯線(xiàn)對接后,調整好二者的相對位置,將-卡套鎖緊在套件1和套件2上，實(shí)現將維修A接頭與　　熱電偶端的剛性連接，其連接后的狀態(tài)如圖5所示?？ㄌ鬃鳛槌墒斓膭傂悦芊膺B接方式，普遍用于儀表管的連接，而且有較好的密封作用問(wèn)。相比于只使用卡套密封方式，此綜合密封方案效果更好,連接點(diǎn)更能得到保護，連接更牢固。
 
3.2.8絕緣材料的防潮處理
　　在修復過(guò)程中，需破壞熱電偶鎧裝，其絕緣材料填充物氧化鎂，具有很強吸水性，幾分鐘潮氣就可能深入到切口內部1000mm,如不進(jìn)行控制，在連接后的潮氣排出和絕緣處理過(guò)程中將耗費大量的時(shí)間，甚至導致位于堆芯內部的熱電偶受潮損壞，維修失敗。廠(chǎng)房通風(fēng)系統難以精準調節;傳統的熱風(fēng)槍,熱量?jì)H集中在一一個(gè)面。針對熱電偶線(xiàn)條形結構，設計一種圓筒形恒溫裝置。在熱電偶鎧裝破壞前，將熱電偶A接頭套入圓筒恒溫裝置;啟動(dòng)恒溫裝置加熱至指定溫度，在恒溫器中的一段將形成一個(gè)高溫區，對空氣中的水汽形成-一個(gè)屏障，防止水汽通過(guò)切口深入，在進(jìn)行干燥處理時(shí)，只需對加熱器上方的一小段進(jìn)行處理，降低了處理時(shí)間，也降低了風(fēng)險。
3.3實(shí)施過(guò)程的質(zhì)量控制
　　堆芯熱電偶的關(guān)鍵參數是絕緣電阻和連續電阻，因此在修復過(guò)程中，需時(shí)刻關(guān)注這兩個(gè)參數值，根據實(shí)施工藝過(guò)程，有如下幾個(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)必須嚴格控制執行:
(1)維修A接頭組件制作完成后，需對接頭進(jìn)行絕緣檢查測試，防止使用不良品;
(2)剪切原熱電偶A接頭后，對剪切處重新實(shí)施密封處理后，對熱電偶進(jìn)行絕緣檢查，確保熱電偶沒(méi)有因剪切暴露在空氣中，導致絕緣不合格;
(3)熱電偶在剪切之后需要用密封膠進(jìn)行密封處理，因此必須保證切口有密封處理的空間;
(4)在進(jìn)行芯線(xiàn)連接前，應確保連接套件已經(jīng)正確穿在了接頭與熱電偶之間,因接頭比熱電偶直徑大很多,一旦接頭與熱電偶連接，再向連接處套入組件將變得不可行;
(5)熱電偶的兩根芯線(xiàn)是不同材質(zhì)的，不能交叉使用，在信號芯線(xiàn)對接前，需對芯線(xiàn)的極性進(jìn)行識別，并對，應連接;
(6)將維修A接頭與熱電偶連接后，需進(jìn)行連續性檢查，確保連接可靠，才能進(jìn)行接頭的密封處理。
　　此維修技術(shù)和工藝方案已經(jīng)成功用于工程實(shí)踐，在某堆芯熱電偶缺陷的處理中，成功對故障熱電偶實(shí)施了維修處理，目前已穩定運行了36個(gè)月，驗證了維修技術(shù)的可靠性、維修工藝的可行性以及維修的經(jīng)濟性。
4結論
　　堆芯熱電偶因其特殊的工作環(huán)境、安裝結構特點(diǎn),在工程應用中存在維修困難的問(wèn)題，上述堆芯熱電偶A接頭的修復技術(shù)方案是一個(gè)可行的解決方案，具有:
(1)對堆芯熱電偶影響小，維修處理無(wú)需提前準備,可實(shí)現發(fā)現即處理;
(2)工藝流程適應堆芯熱電偶檢修環(huán)境，具有良好的可操作性，維修質(zhì)量易于控制和驗證;
(3)維修方案來(lái)源于成熟工藝，材料與K型熱電偶兼容性好。