Герметичные модули для термопарных (ХА) кабелей гермовводов на основе стеклокристаллических и керамических материалов

Актуальность работы.

Проблема обеспечения безопасности атомных станций остается особо значимой в связи с неуклонным повышением их роли в мировой и отечественной энергетике. Одним из важных элементов АЭС являются герметичные вводы, недостаточная надежность которых явилась причиной многих серьезных аварий. Существующее разнообразие конструкций гермовводов не решает в полной мере вопросы их надежности, ужесточение требований к ним требует новых конструктивных, технологических и материа-ловедческих решений. Например, гермовводы типа ПГКК отечественного производства, выполненные на основе полимерных материалов, не отвечают современным требованиям и теряют герметичность уже в первые годы работы на АЭС. Это связано с тем, что при повышенных температурах и воздействии радиации полимерные материалы разлагаются, выделяя газообразные и ядовитые вещества.

Неорганические материалы (стекло, керамика) и металлы (медь, стали и сплавы), как известно, обладают более высокой огнестойкостью и радиационной стойкостью, чем органические материалы. Поэтому представляется интересной возможность их использования в качестве герметизирующих, электроизоляционных и конструкционных материалов для гермовводов.

В 1988 году Инженерно — технологическим центром ДВО РАН (ДВО АН СССР) были начаты работы по созданию герметичных п.

I вводов для АЭС на основе неорганических материалов, взамен применявшихся ранее вводов типа ПГКК (см. приложение 1). В настоящее время разработка герметичных вводов типа ВГКК закончена и принята Межведомственной комиссией в составе представителей Атомэнергоэкспорта, Атомэнергопроекта, Госа-томэнергонадзора и Министерства атомной энергетики. Утверждены технические условия на поставку изделий на АЭС.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка конструкции и способа изготовления герметичных модулей на основе термопарных кабелей с жилами хромель-алюмель для гермовводов типа ВГКК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Подобрать исходные материалы для разработки герметичного модуля. Выбранные для соединения, герметизации и изоляции материалы должны обладать рядом свойств:

— удельным электрическим сопротивлением, обеспечивающим сопротивление изоляции между жилой и оболочкой и между жилами не менее 10 МОм в нормальных и предельных условиях (при температуре до 150 °C, давлении до 0,5 МПа, радиации до 103 Гр/час);

— электрической прочностью, обеспечивающей работоспособность при напряжении между жилой и оболочкой и между жилами при 220 В, а также испытание напряжением 0,5 кВ при частоте 50 Гц в течение 1 минуты;

— механической прочностью спая, обеспечивающего сохранение герметичности при изготовлении, испытаниях, хранении, транспортировке и эксплуатации;

— коррозионной стойкостью, обеспечивающей сохранение электроизоляционных свойств (сопротивление изоляции не менее 10 МОм) и герметичности (степень натекания по воздуху не должна превышать 5,6'10″ 7 Па-м3/с) при неблагоприятных климатических воздействиях, действии водяного пара и паровоздушной смеси, дезактивационных и поглощающих растворов в течение заданного времени;

— радиационной стойкостью при заданных интенсивностях и дозах излучения (10 — 103 Гр/час, интегральная доза 5'106 Гр), обеспечивающей сохранение диэлектрических свойств и герметичности на заданном уровне;

— стабильностью всех свойств, обеспечивающей полный назначенный срок службы в заданном диапазоне температур, давлений, электрических напряжений, радиационных и коррозионных воздействий.

2. Разработать конструкцию и технологию герметизации отдельных узлов кабелей для гермоввода на основе выбранных материалов.

3. Разработать методику контроля основных параметров.

4. Исследовать полученные модули при рабочих условиях АЭС, а также в аварийных режимах.

5. Провести исследования, подтверждающие правильность выбора герметизирующих материалов.

Объекты исследований.

1. Термопарные кабели КТМСМ (ХА) с оболочкой из стали Х18Н10Т, с жилами из термоэлектродных сплавов хромель, алю-мель и минеральной (магнезиальной) изоляцией.

2. Стеклокристаллические покрытия ПСТ 135−1, ПСТ 150−1, керамика 22ХС.

3. Герметичные модули на основе кабелей КТМСМ (ХА) и электроизоляционных материалов по п. 2.

Научная новизна.

1. В результате исследований для создания герметичного ввода выбраны только неорганические материалы и металлы, обладающие высокой радиационной, химической и огневой стойкостью.

2. Разработан новый способ изготовления герметичных модулей на основе термопарных кабелей с ситаллокерамическими узлами герметизации. Он отличается от аналогичного ему способа герметизации термопарного кабеля с жилами хромель-ко-пель тем, что герметизация концов этих кабелей происходит по «высокотемпературной» технологии. Это достигается использованием герметизирующих материалов с более высокой температу-ратурой плавления, что обеспечивает более надежный по критериям пожароустойчивости и химической стойкости узел.

3. Герметичные вводы, разработанные на основе модулей с минеральной изоляцией, имеют ряд преимуществ (кроме указанных выше) перед герметичными вводами существующих конструкций:

— выбор материалов и элементов конструкции гарантирует высокую надежность герметичных вводов при эксплуатации в условиях радиации, повышенных температур, давлений, различных климатических воздействий;

— использование такого способа герметизации дает возможность производить сборку гермоввода после заделки обоих концов кабелей и проверки его герметичности. Это существенно облегчает процесс сборки;

— при отсутствии в гермовводе биозащиты появляется возможность создания такого гермоввода, в котором легко заменяется любой неисправный кабель;

— герметизация кабеля с двух сторон позволяет говорить о двойном барьере герметичности. При разгерметизации кабеля со стороны «грязной» зоны (что наиболее вероятно), кабель не теряет своей герметичности, так как со стороны «чистой» зоны, как правило, узел герметизации остается неповрежденным. Это обеспечивается конструктивными особенностями гермоввода (защитные кожуха со специальной засыпкой);

— при потере герметичности одним модулем предлагаемой конструкции с обеих сторон остальные линии остаются герметичными и продолжают функционировать. Кроме того, магнезиальная изоляция потерявшего герметичность кабеля выступает как адсорбент и очищает воздух, проходящий через кабель в «чистые» зоны, от радиоактивных аэрозолей и твердых пылевидных частиц.

Практическая значимость.

Полученные результаты позволяют достигнуть абсолютно нового уровня в решении проблемы электроснабжения. Применение герметичных вводов такой конструкции (ВГКК) на строящихся и действующих АЭС гарантирует радиационную безопасность и экологическую чистоту окружающего пространства даже при аварийной ситуации (разумеется, исключая аварии с разрушением здания АЭС). Такой уровень безопасности обеспечивается специфическими особенностями конструкции гермоввода и оригинальным подбором материалов и элементов конструкции.

Использование в узлах термопарных кабелей с жилами хромель — алюмель в качестве герметиков стеклокристаллических материалов с высокой температурой плавления позволило создать высоконадежный гермоввод, удовлетворяющий всем требованиям пожарной, радиационной и химической стойкости. Внедрение такой конструкции на АЭС позволяет обеспечить безопасную работу атомной станции на более высоком уровне.

Кроме атомных станций, разработанные проходки могут быть использованы при создании противопожарных барьеров в кабельных коридорах различного назначения.

В 1996 году между Инженерно-Технологическим институтом АТН РФ и 8-м Институтом Ядерной промышленности КГКЯП в ходе работы семинара в 8-м Институте ядерной промышленности КГКЯП г. Шанхай (КНР) был подписан протокол намерений о создании совместного предприятия по производству герметичных вводов типа ВГКК (приложение 2). В настоящее время ведутся переговоры об использовании гермовводов ВГКК (в том числе и гермовводов на базе термопарных (ХА) кабелей) на новых атомных станциях.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Выбор неорганических материалов, обладающих заданными свойствами (см. п. «Цель работы»), для герметизации кабелей КТМСМ (ХА).

2. Модульная конструкция на основе термопарных кабелей КТМСМ (ХА) с жилами из сплавов хромель, алюмельнеорганических электроизоляционных материалов (стеклокриеталлические покрытия ПСТ 135−1, ПСТ 150−1 и керамика 22ХС).

3. Технология герметизации кабелей стеклокристалличес-кими покрытиями ПСТ 135−1, ПСТ 150−1 и керамикой 22ХС.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Научно-технической конференции молодых ученых Приамурья. 20 апреля 1994 г., г. Благовещенск.

2. Четвертой международной школе-симпозиуме «Физика и химия твердого тела». Июнь 1994 г., г. Благовещенск.

3. Международной научно-технической конференции «Роль атомной энергетики в решении региональных экономических и экологических проблем». 18−20 октября 1994 г., г. Владивосток.

4. Региональной студенческой научно-технической конференции «Студенты и научно-технический прогресс». 5 апреля.

1995 г., г. Благовещенск.

5. Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергоснабжения Дальнего Востока». 25−27 апреля 1995 г., г. Благовещенск.

6. Семинаре в 8-м Институте ядерной промышленности КГКЯП. 6 января 1996 г., г. Шанхай, КНР.

Результаты работы рассматривались Межведомственной комиссией из представителей Атомэнергоэкспорта, Атомэнергопро-екта, Госатомэнергонадзора, Министерства атомной энергетики и НИИ Противопожарной обороны МВД РФ.

Выводы по шестой главе.

В результате настоящей работы для проверки качества герметизации термопарных кабелей с жилами хромель-алюмель разработан экспресс — метод испытания герметичности и сопротивления электрической изоляции. Он основан на резком снижении электросопротивления между жилой и оболочкой и между жилами при нарушении герметичности кабеля вследствие поглощения магнезиальной изоляцией влаги при погружении торца в воду.

Проведены испытания термопарных кабелей (ХА), герметизированных с помощью стеклокристаллических материалов ПСТ 135−1 и ПСТ 150−1 в аварийных режимах. Из результатов, полу-ченых в ходе испытаний, видно, что сопротивление изоляции термопарных кабелей имеет достаточно высокие значения и практически не изменяется до гамма — облучения дозой ПО6 Гр. После гамма — облучения кабелей дозой выше ПО6 Гр до предельной — 5 • 106 Гр сопротивление изоляции заметно снижается, но его значения соответствуют предъявляемым требованиям. Причем термопарные кабели, герметизированные двумя разными ситаллами ПСТ 135−1 и ПСТ 150−1, показывают близкие значения сопротивления изоляции. Однако эти значения заметно выше, чем сопротивление изоляции термопарных кабелей (ХК), герметизированных легкоплавким припоем СП 105−1 в сочетании с ситалловой таблеткой и защитным слоем органосили-катной композиции. При создании аварийных ситуаций, близких режиму «малой течи», происходит резкое снижение сопротивления изоляции. При этом, значения сопротивления изоляции близки его требуемым значениям (не менее 107 Ом).

Проверена герметичность (вакуумная плотность) узлов термопарных (ХА) кабелей. Полученные в ходе эксперимента значения степени натекания (от 1,8•Ю-7 до 3,7-Ю-7 Па-м3/с) удовлетворяют предъявляемым требованиям (не более 5,6-Ю" 7 Па-м3/с).

С помощью растрового электронного микроскопа в узле герметизации термопарного кабеля исследованы зоны контакта оболочки и жил кабеля со стеклокристаллическим материалом. В результате этих исследований получены фотографии герметичного спая между ситаллом ПСТ 150−1 и оболочкой кабеля, а также между ситаллом ПСТ 150−1 и жилами кабеля. Анализ фотографий показывает отсутствие на границе ситалл — оболочка и си-талл — жила дефектов (трещин, разрывов, отслоений, раковин) и пор. Мелкопористая структура ситалла обусловлена технологией изготовления таблеток (используется метод полусухого прессования).

Снимки в рентгеновских лучах показывают распределение элементов на поверхности исследуемого образца: на границе оболочка-ситалл и ситалл-жила. Получено также распределение элементов на поверхности образца вдоль линии сканирования, так называемые рентгеновские профили, которое подтверждает наличие адгезии и сцепления между ситаллом и оболочкой (жилами) кабеля.

Методами рентгеновской дифрактометрии исследован фазовый состав стеклокристаллического материала марки ПСТ 135−1.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что основными кристаллическими фазами ситалла ПСТ 135−1 являются модификации ЗЮ2: кварц, а-тридимит и силикаты калия и лития (К231 205, Ы231 307). В исследуемом образце ситалла обнаружены базальные отражения каолинита, не входящего в состав ПСТ 135−1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе обоснован выбор материалов для герметизации торцов кабелей с жилами из термоэлектродных сплавов хромель-алюмель, работоспособных в условиях радиации и высоких температур (до 1000 °C по кривой стандартного пожара). На основе выбранных материалов разработана новая перспективная технология герметизации торцов кабелей для изготовления герметичных вводов.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалам для электрической изоляции в условиях работы на АЭС в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. В качестве элементов модульной конструкции выбраны термопарные КТМС (ХА) кабели с оболочкой из стали Х18Н10Т, с жилами из термоэлектродных сплавов хромель, алюмель и минеральной (магнезиальной) изоляцией.

2. В качестве исходных материалов — герметиков рассматривались органические полимерные материалы, электротехническая керамика, неорганические стекла и ситаллы.

Учитывая предъявляемые требования и полученные в этой области результаты, для дальнейших исследований оставлены ситаллы ПСТ 135−1 и ПСТ 150−1 и высокоглиноземистая керамика 22ХС.

3. Выбранные для герметизации ситаллы имеют хорошую адгезию к материалам оболочки, жил и керамике 22ХС, согласование с ними по коэффициенту термического расширения. Все перечисленные выше материалы обладают следующими свойствами:

— удельным электрическим сопротивлением, обеспечивающим сопротивление изоляции между жилой и оболочкой и между жилами не менее 10 МОм в нормальных условиях и в предельных условиях (при температуре до 150 °С);

— электрической прочностью, обеспечивающей работоспособность при напряжении между жилой и оболочкой и между жилами при 220 В, а также испытание напряжением 0,5 кВ при частоте 50 Гц в течение 1 минуты;

— механической прочностью (когезионной и адгезионной к материалу оболочки и жил), обеспечивающей сохранение герметичности при изготовлении, испытаниях, хранении, транспортировке и эксплуатации;

— коррозионной стойкостью, обеспечивающей сохранение электроизоляционных свойств (сопротивление изоляции не менее 10 МОм) и герметичности (степень натекания по воздуху не должна превышать 5,6-Ю-7 Па-м3/с) при неблагоприятных климатических воздействиях, действии водяного пара и паровоздушной смеси, дезактивационных и поглощающих растворов в течение заданного времени;

— радиационной стойкостью при заданных интенсивностях и дозах излучения (10 — 103 Гр/час, интегральная доза 5'106 Гр), обеспечивающей сохранение электроизоляционных свойств и герметичности на заданном уровне;

— стабильностью всех свойств, обеспечивающей полный назначенный срок службы в заданном диапазоне температур, давлений, электрических напряжений, радиационных, коррозионных воздействий.

4. Разработан новый способ изготовления герметичных модулей на основе термопарных кабелей с ситаллокерамическими узлами герметизации. Этот способ отличается от известного способа герметизации термопарного кабеля с жилами хро-мель-копель тем, что герметизация кабеля происходит по «высокотемпературной» технологии. Это обусловлено более высоким по сравнению со стеклоприпоем температурным интервалом оплавления стеклокристаллического материала (до 960 °С). Такая технология обеспечивает модулю более высокую надежность по критериям пожароустойчивости и химической стойкости.

Герметизация торца термопарного кабеля осуществляется с помощью стеклокристаллического материала (ситалла) ПСТ 135−1 или ПСТ 150−1. Непосредственное спаивание оболочки и жил кабеля с ситаллом производится при температуре 930 — 960 °C (для ПСТ 135−1) или при 860 — 880 °C (для ПСТ 150−1) до расплавления ситалла. В расплав опущена керамическая таблетка, которая обеспечивает необходимую механическую прочность спая.

5. Разработан экспресс — метод контроля герметичности, основанный на резком уменьшении электросопротивления между жилой и оболочкой и между жилами при отсутствии или нарушении герметичности торца вследствие поглощения магнезиальной изоляцией влаги при погружении торца кабеля в воду.

6. Полученные модули исследованы в условиях работы на АЭС. При гамма — облучении дозой до 1 — 10е Гр рабочие характеристики модулей практически не меняются и их значения удовлетворяют предъявляемым требованиям. После достижения предельной дозы гамма-облучения — 5¦106 Гр — сопротивление изоляции заметно снижается, но соответствует требуемым значениям. Предельная доза составляет интегральную дозу радиации с учетом всех аварий.

7. Проведены испытания узлов термопарных кабелей на герметичность. Полученные в ходе эксперимента значения отвечают предъявляемым требованиям.

8. Исследованы зоны контакта оболочки и жил термопарного (ХА) кабеля со етеклокриеталлическим материалом. Ситалл имеет мелкопористую структуру (без открытой пористости), хорошую смачиваемость и сцепление с оболочкой и с жилами кабеля. Это подтверждается полученным распределением элементов на поверхности исследуемого образца и вдоль линии сканирования (рентгеновскими профилями).

9. Проведены исследования фазового состава стеклокрис-таллического материала марки ПСТ 135−1 с помощью рентгенофа-зового анализа. Основными кристаллическими фазами ситалла ПСТ 135−1 являются модификации 3102: кварц, а-тридимит и силикаты калия и лития (К231 205, Ы231 307). Кроме того, обнаружены базальные отражения каолинита, не входящего в состав ПСТ 135−1.

В настоящее время разработка герметичных вводов типа ВГКК закончена и принята Межведомственной комиссией в составе представителей Атомэнергоэкспорта, Атомэнергопроекта, Го-сатомэнергонадзора и Министерства атомной энергетики. В установленном порядке утверждены технические условия на поставку изделий на АЭС.

По результатам проделанной работы в январе 1996 г. между Инженерно-Технологическим институтом АТН РФ и 8-м Институтом Ядерной промышленности Китайской Народной Республики подписан протокол намерений о создании совместного предприятия по производству герметичных вводов типа ВГКК, в том числе конструкции ВГКК — 194 — 3.00.00.00.ВО (термопарные кабели с жилами хромель — алюмель), представленной в диссертации.

При переходе атомной энергетики на стальную герметичную оболочку и при отсутствии в гермовводе биозащиты появляется возможность создания гермоввода модульного типа, в котором при необходимости легко заменяется любой неисправный модуль.

Кроме атомных станций, разработанные проходки могут быть использованы при создании противопожарных барьеров в кабельных коридорах различного назначения.