摘要：三门核电现有的反应堆压力容器假盖，功能单一且拼装、运输困难。通过改变现有的设计，并根据现场厂房、通道结构以及接口实际尺寸，改进假盖结构，增加多功能贮存架，实现了反应堆压力容器假盖的整体运输、吊装和储存，并同时具备良好的密封性能和屏蔽功能，并且减小了工作人员操作的难度，有效的减少了人员受到的辐照剂量。
关键词：密封假盖；屏蔽功能；整体式；贮存架
1.概述
核电厂反应堆压力容器假盖（RV假盖）用于反应堆停堆换料期间在水下临时遮盖反应堆压力容器开口，以防止异物进入，当反应堆压力容器顶盖和上部堆内构件吊离反应堆压力容器后，压力容器内部可能在较长时间内无工作。在此期间，通过将RV假盖放置在压力容器密封面上方，可防止外部异物通过压力容器开口进入其内部，并可保护压力容器密封面。
大修期间，由于需要在低水位工况下进行主泵检查以及部分主系统设备的检修，通常需要安装换料水池水闸门，另外还需执行反应堆压力容器主螺栓孔的清洗、检查及修复等工作，此时都必须安装RV假盖。这一系列的工作不仅占用了大量的主线时间，同时工作人员受到较高的辐照剂量。
2.三门核电现有的RV假盖与设计优化后的RV密封假盖的比较
2.1 从功能上比较
三门核电现有的RV假盖只具备覆盖压力容器开口（防异物）及保护密封面的功能。大修期间，一旦在主系统设备检修过程中换料水池水闸门发生泄漏，后果将非常严重，将同时面临着极大的设备损伤和人员沾污的风险。现有的RV假盖只是普通的钢结构形式，为减轻重量，所用钢板的厚度并不足以达到很好的屏蔽效果，因此在低水位期间，还需要人工在RV假盖上铺设大量的铅皮，以此来减少工作人员所受的辐照剂量。
设计优化后的RV密封假盖除了具备以上基本功能外，在必要时，还能作为换料水池水闸门密封的补偿手段，或是保持换料水池高跨满水状态下直接作为边界实现换料水池高跨和压力容器内部隔离，具有良好的密封性和一定的承压能力。由于预留有排气法兰，并通过预设的排气管使反应堆压力容器内部与大气相通，在换料水池水位不变的情况下，可以实现压力容器内部自由地充水和排水。并且在密封假盖内部集成12mm厚铅屏蔽层，与假盖盖板固定，整体焊接密封，具有较强的辐射屏蔽功能。
2.2 从结构上比较
三门核电现有的RV假盖为分瓣式结构，假盖拼装完成后呈直径为4176mm、高180mm的圆柱体，而辅助厂房分段运输及存储区（40550房间）吊物口尺寸为：3350×6400mm（长×宽），40550房间至核岛内135英尺操作平台通道大门尺寸为：4020×5000mm（宽×高）。拼装后的RV假盖均无法正常通过这两处通道，因此RV假盖每次运输时必须要拆卸成两半，进入核岛后又需要再次拼装。并且，由于RV假盖拼装的固定点均在假盖下方，在拼装和拆卸时需要临时搭设承重的脚手架，人员钻到假盖下方安装和拆卸所有的连接螺栓、垫片、螺母和定位销等，人员受到沾污风险较高且操作非常困难。RV假盖通过两个可翻转的导向耳板与RV导向柱配合进行导向，由于其导向配合精度不足，故每次假盖就位后假盖本体均与反应堆压力容器中心位置存在较大的偏离，最多时可达到10mm，导致反应堆压力容器主螺孔清洗机就位至主螺孔时会与假盖干涉。RV假盖主体框架采用数根工字梁焊接而成，接缝较多，使用后难以清洁去污。
设计优化后的RV密封假盖采用整体式的结构，无需拼装，呈直径为4135mm、高290mm的圆柱体。为了解决厂房内吊装及运输问题，额外设计制作了一个可变支撑角度的贮存架，操作简单、安全。根据RV密封假盖使用环境要求可按照0°、30°、45°三个角度吊装运输：贮存架0°时可用于现场存放和正常转运；贮存架30°时用于40550房间与核岛135英尺平台之间转运，如图2；贮存架45°时用于吊装通过40550吊物口以及场外运输，如图1。RV密封假盖的翻转导向耳板设计制作更加精密，可与RV导向柱精确配合，就位偏差不超过2.5mm，加上假盖外形直径的减小，可完全避免与主螺孔清洗机的干涉。RV密封假盖的上盖板设计有滤网孔及密封盲板，正常情况下允许换料水池内水通过，在需要时利用盲板法兰封堵实现密封。中间屏蔽铅层整体焊接密封，封闭在假盖本体内部，避免与换料水池水接触，污染水质。密封假盖最底部为20mm厚不锈钢板环板，表面精加工，配以特制的三元乙丙橡胶密封条密封，利用整个设备的自重在压力容器的法兰端面来实现密封的要求，底部与密封面接触部分采用聚乙烯板加橡胶条，底部密封环板与软垫板通过螺栓连接，橡胶条可更换。由于密封假盖与压力容器密封面为软接触，并且通过精确的尺寸控制，任何工况下聚乙烯软垫板不会直接压在压力容器法兰上O型密封圈接触的位置，极大的减小了损伤压力容器法兰密封面的风险。为了保证假盖底部密封端板的密封性，必须保证整体结构的刚性，上、下端面的钢板用内部米字型布置的筋板连接成一个整体，上下表面是一个整体的的不锈钢板，经表面处理和抛光处理，便于清洗去污。
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图1 贮存架45°
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图2 贮存30°
3.三门核电RV密封假盖的设计分析
3.1 密封机构分析
换料水池高水位临时RV假盖所处的水深约8.2m，采用平面挤压密封原理，利用RV假盖自重将密封件挤压在压力容器密封面形成密封。其密封原理类似于法兰连接的垫片密封，使密封垫片单位面积上所受的压紧力达到某一值，依靠垫片的变形把法兰密封表面上的泄漏通道阻塞，从而阻止介质泄漏形成密封条件。
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图3 底部密封结构图
密封组件采用EPDM材料制造，制造参照行业标准HG/T4903-2016动态全硫化热塑性弹性体聚丙烯型，按截面定制胶条，外环长度12798.8mm，内环长度12522.4mm。其结构如上图所示，内环节圆3986mm，外环节圆4074mm，总高度约16mm。RV假盖自重5.4t，水中浮力32500N。密封条安装时通过三组聚乙烯压板固定，吊装过程中不会脱落。
本计算主要参考GB150.3中关于垫片密封的公式。
已知：设计工作压力P=0.1MPa，实际工作压力0.082MPa，垫片系数m=1，第一层密封垫圈直径D1=4074mm，第二层密封垫圈直径D2=3986mm，基本密封宽度N=18mm，考虑RV假盖变形及一定安装误差，取基本密封宽度80%，即N=14.4mm。
基本密封宽度b0=N/2=7.2mm，有效密封宽度.png)
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垫片压紧力作用中心圆直径DG即密封垫节圆直径第一道密封中心圆直径：DG1=4074mm，第二道密封中心圆直径：DG2=3986mm
故操作状态下需要的最小垫片压紧力
FP=6.28*DG·b·m·P=6.28（DG1+DG2）·b·m·P=3.436x104N
工作状态实际压力F=F自+F介=5.4x104+8.2x104x3.14x4.1352 =5.41x106N
由以上计算过程可发现，较F小了数量级，静密封最大压缩量不超过总高的35-45%。
3.2 强度校核
密封假盖所使用材料为304不锈钢，屈服强度：205MPa；抗拉强度：520MPa（GB/T 3880.2），利用Ansys软件对RV假盖结构力学分析，设计压力0.1MPa，在底部环板处添加固定约束，在罩盖的上表面与侧面添加0.1MPa的均布压力，分析出最大应力100.2Mpa，最大变形1.925mm。
4.结论
优化后的RV密封假盖替换原有的RV假盖后，以往大修低水位期间在RV假盖上铺设铅皮的工作可省去，由此可在很大程度上减少人员受到的辐照剂量。一体化的设计加上专用的运输贮存架，使假盖的吊装及运输更加便捷，有效的降低了人员操作的难度，减少了人员沾污的风险。同时，在低水位期间主系统水位可继续保持高水位，这样可使得一些在主系统低水位期间实施的工作和换料水池保持高水位的工作同步进行，如在进行上部堆内构件及下部堆内构件的在役检查等工作时，同时进行低水位设备的检修工作，从而优化大修主线计划。并且由于高水位对换料水池中高放射性设备的屏蔽作用，可很大程度地减小整个反应堆厂房135英尺平台的环境剂量水平，减小人员集体剂量，优化大修性能指标。低水位期间燃料转运通道可不必关闭，燃料厂房与安全壳厂房之间的燃料转运系统可继续保持可用。另外，由于其可靠的密封功能，当低水位期间进行换料水池排水时，可有效避免异物进入堆芯。具有极大的推广应用价值。
参考文献：
[1]陈梁，李涛，核反应堆核级设备检修工[M]，北京：中国原子能出版社，2014.9
[2]顾军，AP1000核电厂系统与设备[M]，北京：原子能出版社，2010.3
[3]彭文生，机械设计，北京：高等教育出版社，2008.11
论文作者:吴俊
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30