田湾核电站绝热工程应用分析
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摘 要：在核电站正常运行工况下，工艺系统管道与设备的绝热结构设计对其热运行效率来说具有重要的意义。文章介绍了田湾核电站俄罗斯设计的主要系统与设备的绝热结构设计原则、应用种类、材料选择等特点，与国内同类比较，分析其优缺，以及运行后各结构保温层出现的一些问题。
关键词：绝热结构；保温结构；保冷结构；绝热层
1 概况
田湾核电站一期绝热工程是由俄罗斯圣彼得堡原子能研究设计院（简称SPAEP）、俄罗斯OKB水压机设计院（简称OKB）等进行设计的；中核工业第二研究设计院、国家电力公司东北电力设计院参与了部分设计工作。其范围包括每台机组的核岛部分和常规岛部分中所有厂房需要绝热的系统管道与设备。核岛部分设计要求绝热的有43个工艺系统，其反应堆厂房内的一回路主管道与主设备的保温盒由俄罗斯承包商负责设计与制造；常规岛部分设计绝热的工艺系统共有38个，其中，汽轮机本机的保温结构是由俄罗斯列宁格勒金属制造股份有限公司（简称LMZ）进行设计的。因此，每台机组共有八十余个工艺系统的管道与设备进行了绝热结构的设计与安装。
绝热结构设计可分为保温结构和保冷结构设计两部分。每台机组设计要求绝热的大部分工艺系统管道与设备采用的保温结构，它是由保温层和保护层为主要结构，与其支承、固定的辅助材料形成统一的表面保护实体，保温层是由具有较小导热系数、容重等绝热特性的材料组成；保护层是利用保护材料的强度、韧性和致密性等特点，保护保温层免受外力和水汽的侵袭，达到延长保温层的使用年限的目的，并且作为表面工程的一个组成部分，使整体保温结构不仅具有绝热的功效，其外表面还具有整洁、美观大方的装饰作用。
保冷结构是由保冷层、密封防潮层、保护层组成的绝热结构形式。其作用是为了减少和控制冷量损失与防止外表面凝露。密封防潮层是一层搭接适度，厚薄均匀，完整严密，无气孔、无鼓泡、无开裂等缺陷的，具有阻燃、防水、防蒸汽渗透及抗老化性能材料构成的严密实物层；它是决定保冷层绝热效果是否良好的重要一层。保冷结构的其它结构层与保温结构的基本相同，但随着新型材料的应用，保冷结构也从传统的结构形式，向简易化转变。
2 绝热结构设计的基本原则
就设计绝热结构的基本原则而言，中、俄两国的规范标准大同小异。俄罗斯SPAEP根据《核动力装置的设置和设备及管道的安全运行规程》（ПН АЭГ-7-008-89）和《热电站与核电站管道和设备保温设计标准》（HP34-70-118-87）中的有关要求为基准。从温度角度对设计保温结构进行了主要规定：新建、扩建和改建的核电站设备与管道的介质温度从45℃～500℃，热电站从45℃～650℃都必须进行保温设计。在操作间或接近性受限制房间内，保温结构外表面温度不得超过45℃；在接近性受限制的房间内和室外，介质温度高于60℃的必须设计保温层，并且保温层外表面不得超过60℃。这与中国的保温结构设计基本原则相比较只是保温设计要求的起点温度不同而矣，其它的技术要求（如防烫伤温度、外表热流密度标准、环境参考基准温度等）都相一致。设计保冷结构的基本原则，二者是相同的。
3 绝热材料的分析
一期两台机组选用的绝热材料按产地可分为两大类，一部分为俄供保温材料，包括俄供可拆卸保温盒、俄供褥状超细玻璃丝棉缝毡、俄供褥状玄武岩棉缝毡，主要应用于反应堆厂房、蒸汽间、汽轮机本机；另一部分为国内保温材料，包括褥状超细玻璃丝棉缝毡、超轻硅酸铝甩丝棉毯与发泡橡塑管壳（或板材），主要用于除俄供保温材料应用以外的其他核岛和常规岛厂房内需要绝热的工艺系统管道与设备。
在机组控制区内，俄方在保温层选材时，考虑到材料在具有不同放射性运行条件下的长期使用，防止污染扩散，保温层的重复拆装快捷，避免人员受照时间过长等使用特性。根据此特性原则的要求，对控制区内的保温层材料采用一种外裹玻璃布的褥状超细保温棉缝合毡产品，即在每块保温棉毯的四周各个侧面用具有一定致密性和强度的玻璃丝布严密包裹起来，再用规定的玻璃纤维缝纫线缝合。保温棉毯材料外裹玻璃丝布的设置是绝热结构中保证保温层完整性、保温性、独立保护性和防止放射性污染扩散的关键性一道屏障。
3.1 俄供保温材料应用中的问题分析
在机组控制区厂房内工艺系统管道与设备的保温维修过程中，我们发现诸多俄供保温材料自身问题而引起的施工技术难点。
原俄供褥状保温棉毡厚度不足，安装压缩比较大。在实际现场施工过程中，因俄供材料的实物厚度与其随箱资料标定的厚度有很大差距，如合格证上标明为70mm厚的材料，现场实际测量厚度只有30mm～40mm。为了保证原设计的保温安装厚度要求，不得不反复的确认保温材料的规格而选用。
俄供棉毯（KT-11）中渣球含量偏高，棉丝粗细不均，易断裂。从丝棉外观上比较，俄供棉毯的渣球含量明显比国内同类的材料含量多；棉纤维丝粗细不均，短粗硬脆，极易造成保温棉松散下坠，直接影响保温效果和后续维修工作。
外裹玻璃纤维布的线密度较稀，经安装后易漏棉脱丝掉渣。纤维棉经捆扎压缩后产生的脱丝断渣，拆卸保温层后易形成粉尘，污染环境；人员进入厂房也会受到相应的伤害。这种材料应用于机组的高放射性反应堆厂房内，运行后的在役检查和维修时，给拆装保温层的维修人员带来了极大不便。
3.2 国内保温材料的技术特性
在机组运行后的维修过程中，考虑到俄供保温材料的采购周期过长、成本过高的等因素，在2007年我们实施了国产保温棉替代工作。对于替代工作，俄方提出了高度的质疑，因俄供保温材料虽然存在着诸多不足，可俄方同类材料在俄国内核电站已有运行几十年的使用经验，而中方的部分材料在核电站的应用仍需经受运行后实际工况条件的验证。
考虑到国内保温棉制品均没有在核设施应用40年而确保材料稳定的经验，我们委托设计院采用保守的设计原则，在各项技术指标均接近或率高于俄供材料的基础上选择国产保温棉制品。经过多方调研、对比、分析，最终选定以欧文斯的玻璃棉，配合中材集团的高强度玻璃丝布，替代俄供控制区保温层材料。经3年的实际应用，此种保温材料制品不仅具备了俄供保温层材料的各项优点，同时达到了我们预期替代的目的，完全满足维修工作的需求。
4 绝热结构的应用分析
按照俄罗斯《热电站与核电站管道和设备保温设计标准》（HP34-70-118-87）中的绝热结构总体要求及其特殊规定。在非操作间内，设备与管道外壁上的绝热层允许采用永久性保温结构。而在主循环管道与设备上其全部长度范围内和其它在役检查时需要进行检测的地方，绝热层都要求做成快速可拆卸式的保温结构。
由于绝热结构是由不同的绝热材料和施工方法组合在一起的设计结构。现根据绝热层与保护层的不同材料与组合形式，分析一期两台机组中设计应用的几种绝热结构类型。
4.1 俄供双壁保温盒式结构
田湾核电站两台机组反应堆厂房中的一回路主要设备与主管道的保温结构设计和国内其他核电站反应堆内主设备的保温结构基本相同，俄方OKB在设计时综合考虑了反应堆核能热效率、核安全、工业安全、在役检查与维修等多方面的因素，选用了国际上较为先进的保温结构形式--双壁可拆装式保温盒结构。
田湾核电站两台机组一回路四台蒸汽发生器、四台主循环泵、四环路主管道、一台稳压器及其主要连接管道、四台安注箱及其主要连接管道，每台机组共有3523平方米的面积采用此类保温结构形式。
4.1.1 保温盒结构特点分析
快速可拆装保温盒是由多块具有保温层、不锈钢刺钉、内设密封不锈钢保护层、不锈钢外保护层、标牌、搭扣和把手等组成可重复拆装的保温结构形式。其保温结构设计特点如下：
保温效果好、外形美观
采用不同厚度不锈钢保护层制作的密封结构保温盒，最大限度地降低了金属保护层引起的自身热损失，用鱼鳞状组合安装成型，增强了设备整体保温盒的保温效果，提高了设备的热效率。也使其整体外形圆滑美观大方。
维修检查拆卸方便，可多次重复使用
因保温盒的组合结构是经特殊工艺与材料制作的具有相对独立的多块拼装形成的绝热结构。可快速密封搭接组合，方便装配，易于拆卸，并且可多次重复拆装使用，设计寿命长达40年。机组运行维修期间，在役检查和维修拆装都很方便。
安装便捷、周期短、综合经济效益好
保温盒方便简易的快速搭接组装，缩短了维修时间，节约了设备大修时间，相对延长了设备正常运转发电周期，提高了设备的运转效率，增加了每一次大修循环周期内的机组发电量，直接提高了机组的经济效益。另外，传统保温结构使用的保温材料，每次拆除时，有部分原保温材料不能再利用，造成材料浪费；而快速搭接保温盒拆装时，只是每块连接部位的组合与分离，保温材料可以重复利用，提高了材料的利用率，节约了材料，减少了放射性废物垃圾的产生，节省了每次维修的成本，相应地提高了机组的经济效益。
改善了维修环境和设备卫生
在每次大修时，反应堆厂房内的传统保温层材料受安装压缩或人为因素破坏后，产生的带有一定放射性的粉尘，在拆装过程中会对设备与空间环境造成不同程度的污染。致使维修人员因辐射剂量和维修时间的限制，影响大修期。而采用快速可拆卸保温盒，使整体保温材料处于一定的密闭空间内，避免了放射性粉尘对设备和空间环境的污染。
4.1.2 保温盒结构实际应用中的不足
尽管双壁保温盒结构有上述较多的优越性，但由于原始设计对后续维修工作考虑的不足，造成在历次大修中对维修及在役检查工作中，对保温盒的反复拆装带来很大的不便。其主要因素如下：
保温盒单块体积太大
主设备俄供双壁可拆卸式保温盒在原始设计和制作过程中未满足国内单块小于25公斤/块的要求，单块体积过大并较为笨重，给后续维修拆装工作造成很大的不便。不仅要投入相当多的人力，而且保温盒本体在拆装运输过程中极易变形、损坏，致使热量从拼接缝处泄露，直接影响了机组的安全运行。
保温盒制作结构单一
主设备俄供双壁可拆卸式保温盒在原制作阶段，全部采用传统的顺水搭接模式，致使设备保温盒整体结构环环相扣，取一块必动全身，未考虑后续在役检查工作的需求。即便是只检测一条焊缝，也必须将设备本体保温盒拆除70%以上，增大了维修工作量。
对不可达死角的控制较为薄弱
双壁可拆卸式保温盒采用金属拼接的链接模式，对设备不可达死角处的处理较为薄弱。原设计未考虑添加附属配件设施，对不规则死角区域进行防堵，造成热量扩散。
4.2 抹面层绝热结构
根据俄方设计文件PROJECT №ЭЛ55《Thermaqustic insulation of steam turbine》K-1000-60/3000 中的规定，每台机组常规岛汽轮机本体及其管道和附件均采用胶泥抹面保护层结构进行保温。
4.2.1 抹面层保温结构技术指标介绍
为了满足汽轮机本体运行时的升温与降温速度、热量利用效率、振动等运行工艺的要求，汽轮机本体的保温结构，俄方LMZ设计采用了传统的保温结构方式：保温层+抹面层+玻璃丝布油漆。保温层材料有俄供褥状玄武岩棉缝毡；抹面材料及其它辅助材料。国内抹面材料的技术特性如下：抹面层干密度容重不大于280kg/m3，在25℃时导热系数为0.0691W/m・k，在70℃时为0.080W/m・k ；PH值为7～11，体积收缩率7.1%，最高使用温度为600℃。封闭油漆为WE61-400耐高温防腐涂料，最高使用温度为400℃，可适用于冷热交替运行工况。
4.2.2 抹面保护层的作用分析
密封绝热作用。与其它保温结构相比较，抹面施工时，涂抹的灰浆能把棉毯的缝隙与孔洞填充，紧贴着主保温层的材料，形成一层较为致密的保护层，增强了保温结构的密封绝热效果。
改善绝热层的表面条件。由于俄设计的汽轮机（K-1000-60/3000）的高、低压缸及其阀门的整体部件比较庞大，其外表面存在着不同程度的凸凹不平，影响着保温结构的外观。利用抹面灰浆的可塑性材料，通过抹面的找平与找圆工艺把保温结构与基体紧密结合在一起，使阀门与设备的保温结构表面圆滑平整，光洁匀称，外观保持一致性。