核電站二回路爆破吹掃和水壓試驗(yàn)

朱林

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

0 引言

承壓設(shè)備役前通常會(huì)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)以驗(yàn)證其承壓的可用性，以及安全裕量。同樣，對(duì)連接完畢的承壓系統(tǒng)也會(huì)有相應(yīng)的要求。福清核電1號(hào)機(jī)組二回路水壓試驗(yàn)是指在二回路主系統(tǒng)安裝后、調(diào)試前對(duì)管道及其附件進(jìn)行試壓，以檢查管道強(qiáng)度和密封性，使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度試驗(yàn)要求，為系統(tǒng)調(diào)試創(chuàng)造條件。

反應(yīng)堆的堆芯里裝滿核燃料，反應(yīng)堆發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)后即放出能量轉(zhuǎn)化為熱量。為了冷卻堆芯，把整個(gè)堆芯泡在流水中。因這部分水（叫一回路水）接觸核燃料，帶有放射性，不能流向汽輪機(jī)做功發(fā)電，必須通過一個(gè)叫蒸汽發(fā)生器的熱交換器，通過金屬表面的傳熱，把熱量傳遞給二回路水，將其加熱成蒸汽[1]。因此二回路實(shí)質(zhì)上和常規(guī)火電廠的水汽回路差不多，只不過主換熱設(shè)備為蒸汽發(fā)生器。

1 試驗(yàn)方案

核電廠二回路高壓承壓管路分為2個(gè)區(qū)域：1區(qū)為蒸汽發(fā)生器（含）至主蒸汽管道汽輪機(jī)進(jìn)汽口，設(shè)計(jì)壓力8.6 MPa，試驗(yàn)壓力位12.8 MPa；2區(qū)為給蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水的相關(guān)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壓力12.3 MPa，試驗(yàn)壓力為18.35 MPa[2]。具體的水壓試驗(yàn)邊界可以根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)的調(diào)整，因此各個(gè)電廠的試驗(yàn)邊界是不完全相同的。對(duì)于未參與水壓試驗(yàn)的設(shè)備焊縫檢查可以用100%RT的方法代替。水壓試驗(yàn)過程中，由于系統(tǒng)中不可避免地會(huì)存在泄漏點(diǎn)，在此使用動(dòng)態(tài)保壓的方法，系統(tǒng)中人為設(shè)置泄漏管線[3]，這樣升壓泵組額定工況運(yùn)行，不參與調(diào)解，用控制系統(tǒng)泄漏量的方法控制整個(gè)系統(tǒng)的升壓速率，安全可靠。

2 系統(tǒng)清掃

在水壓試驗(yàn)前需要對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行清潔，對(duì)清潔使用的介質(zhì)沒有明確規(guī)定，為了避免對(duì)系統(tǒng)引入其他介質(zhì)，通常采用運(yùn)行工質(zhì)清潔。當(dāng)然也有特別的情況，比如油系統(tǒng)的管路可以水洗也可以油洗，兩者顯著的差異體現(xiàn)在成本的區(qū)別上。在設(shè)計(jì)上，1區(qū)和2區(qū)由于工作介質(zhì)的不同，清潔方式略有區(qū)別。

2.1 沖洗

2區(qū)工作介質(zhì)為水，采用加聯(lián)氨并加熱的沖洗方式[4]。熱源可使用輔助鍋爐生產(chǎn)的蒸汽?？偟脑瓌t為先旁路然后沖高低加。由于蒸汽發(fā)生器對(duì)于水質(zhì)是有嚴(yán)格要求的，因此，2區(qū)的沖洗截止到蒸汽發(fā)生器進(jìn)水口前。止回閥需要抽芯，可以使用內(nèi)窺鏡檢查管道閥門死角的沖洗效果。

2.2 爆破吹掃

1區(qū)的工作介質(zhì)為蒸汽。由于核電機(jī)組的特殊性，二回路不具備蒸汽沖管的條件，參考已建設(shè)的核電機(jī)組及國家有關(guān)電站管道清潔度控制要求，使用爆破吹掃技術(shù)來達(dá)到管道內(nèi)清潔度指標(biāo)要求。

蒸汽管道的吹掃是利用蒸汽壓力產(chǎn)生高速汽流的沖刷力，將附著在管路內(nèi)的雜物沖走。利用不同物質(zhì)熱膨脹系數(shù)的差異，降低腐蝕產(chǎn)物與管道表面的結(jié)合強(qiáng)度，使這些雜質(zhì)在高溫汽流的沖刷下，從管道內(nèi)壁剝落下來，排出管外[5]。目前，國內(nèi)蒸汽管道的吹掃主要采用穩(wěn)壓法和降壓法，其中降壓法的應(yīng)用最廣泛[6]。區(qū)別于常規(guī)方法，核電廠由于工期跨度過大、設(shè)計(jì)差異等原因，往往不能采用蒸汽吹掃，只能使用壓縮空氣替代吹掃。其原理示意圖如圖1所示。

基本原理是把蒸發(fā)器作為充氣儲(chǔ)罐，A點(diǎn)充入壓縮空氣，當(dāng)充氣壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)快速打開有爆破閥B，管道內(nèi)的焊渣和其他雜物在爆破引起的高速氣流的沖擊下也隨之排出，反復(fù)數(shù)次，即可達(dá)到吹掃要求。采用爆破法吹掃管道時(shí)，吹掃介質(zhì)（空氣）在爆破閥出口端B的瞬間流速可由管內(nèi)流體能量平衡算式求出，由伯努利方程[7]知：

圖1 爆破吹掃水壓示意圖

式中：V為壓縮空氣比體積；PA為爆破時(shí)A處的壓力；PB為爆破時(shí)B處的壓力；ΔC2/2為動(dòng)能，C為氣流速度；CA為爆破時(shí)A處的氣流速度；CB為爆破時(shí)B處的氣流速度；g為重力加速度；ΔZ為A、B兩處的高度差。

由此可見，爆破吹掃的速度差ΔC與A、B點(diǎn)水平方向上的遠(yuǎn)近沒有關(guān)系（落差有關(guān)系），而A點(diǎn)的速度從開始到結(jié)束一直都很小，所以在實(shí)際吹掃過程中，蒸汽發(fā)生器以及出口的一小段由于氣流速度很低無法達(dá)到吹掃的目的。吹掃效果最好的是B點(diǎn)附近。如果將B點(diǎn)即爆破口水平遷移，那么就能對(duì)前面的管道進(jìn)行很好的吹掃，只是由于儲(chǔ)氣體積的減少，每次的吹掃時(shí)間將逐漸減少，考慮到短路儲(chǔ)存的氣體有限，大部分氣體是在蒸汽發(fā)生器中儲(chǔ)存的，因此減少的時(shí)間是可以接受的，并可用增加次數(shù)的方法彌補(bǔ)。福清現(xiàn)場的吹掃方案中，B點(diǎn)是一個(gè)固定點(diǎn)，未進(jìn)行上述考慮。以后的試驗(yàn)中可以試著將儲(chǔ)氣點(diǎn)A上移以達(dá)到更好的吹掃效果。

對(duì)于放置靶板的管道的吹掃，連續(xù)2次更換靶板，靶板上沖擊斑痕的粒度不得大于0.8 mm，且斑痕不多于8點(diǎn)。對(duì)于沒有放置靶板的管道的吹掃，以出口處的空氣潔凈為準(zhǔn)[8]。

圖2 爆破吹掃效果明顯

3 水壓試驗(yàn)

整個(gè)水壓試驗(yàn)的重點(diǎn)檢查部位應(yīng)該為與蒸汽發(fā)生器相連管道的焊縫，以及蒸汽發(fā)生器二次側(cè)邊界。水壓試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備有損害，尤其是1.5倍設(shè)計(jì)壓力的強(qiáng)度試驗(yàn)。因此，如果重點(diǎn)部位不出現(xiàn)滲漏，即可認(rèn)定試驗(yàn)合格。

福清現(xiàn)場因前期蒸汽發(fā)生器不可用，于是將1區(qū)和2區(qū)的試驗(yàn)分開來做，2區(qū)實(shí)驗(yàn)比較簡單，現(xiàn)就1區(qū)實(shí)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）水壓試驗(yàn)泵的選型問題。理論上，任何能將出口水的壓力打到18.35 MPa以上的都可以作為本次試驗(yàn)的臨時(shí)升壓泵。但是要考慮到系統(tǒng)不可避免地存在漏點(diǎn)，如果升壓泵的流量過小，那么當(dāng)泄漏流量等于升壓泵出口流量時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓力無法繼續(xù)升高。在福清機(jī)組試驗(yàn)初期，即使用的是小型柱塞泵3D-SY1000/25，額定排出壓力25 MPa，額定流量1000L/h。在到達(dá)2 MPa壓力平臺(tái)之前，升壓速率緩慢，用了幾乎3 h。到后期，由于發(fā)現(xiàn)部分漏點(diǎn)，升壓速率越來越緩慢。因此立即更換為蒸汽發(fā)生器專用水壓試驗(yàn)泵組，最高升壓速率為0.4 MPa/min（＜11.5 MPa），或0.1 MPa/min（≥11.5 MPa）[9]。

2）壓力平臺(tái)的選定問題。本次壓力平臺(tái)共設(shè)6個(gè)：5個(gè)升壓平臺(tái)，1個(gè)降壓平臺(tái)。其中升壓平臺(tái)相對(duì)于參考電站新增一個(gè)2 MPa的壓力檢查點(diǎn)。這是出于對(duì)蒸汽發(fā)生器管板可能發(fā)生泄漏的考慮。在此之前，由東方電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司制造的寧德1#SG2、紅沿河2#SG1在工程現(xiàn)場二次側(cè)水壓試驗(yàn)中發(fā)生了泄漏事件，因此需要在這個(gè)平臺(tái)仔細(xì)檢查，以提前發(fā)現(xiàn)處理問題。福清現(xiàn)場根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，在2012年年底，邀東重廠家對(duì)所有3臺(tái)SG的管板焊縫進(jìn)行了100%PT檢查和部分RT檢查。

由于RT抽檢比率未達(dá)到100%，仍存在封口焊閉口體積缺陷漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。廠家編制了相應(yīng)的緊急預(yù)案[10]，并派人隨同參與水壓試驗(yàn)，以確保泄漏的情況下及時(shí)處理。

另外，各壓力平臺(tái)的保壓時(shí)間是不盡相同的。水壓試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備會(huì)造成永久性傷害，壽期內(nèi)水壓試驗(yàn)次數(shù)不得超過10次[11]。加上安全方面的考慮，最高壓力平臺(tái)不能停留過久，最多不超過30 min，最短不少于10 min，本次暫定保壓10 min。所有升壓階段升壓速率小于0.3 MPa/min[12]，泄壓速率小于1 MPa/min。

實(shí)際上，根據(jù)核島主管道標(biāo)準(zhǔn)工況P-T大刀圖[13]，蒸汽發(fā)生器管板兩側(cè)壓差是有限制的。左上限曲線是由蒸汽發(fā)生器管板的強(qiáng)度決定的。

圖3 升壓曲線（虛線為2區(qū)壓力曲線）

蒸汽發(fā)生器內(nèi)U型管管板是一個(gè)開了很多孔的平板，受力學(xué)強(qiáng)度的限制，管板兩側(cè)壓差必須限制在11 MPa內(nèi)，管板一次側(cè)為穩(wěn)壓器壓力，二次側(cè)為一回路水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力，即該限制線為PRCP=PSAT+11 MPa。整個(gè)試驗(yàn)方案中最高壓力12.8 MPa下，需要進(jìn)入蒸汽發(fā)生器水室檢查，所以一次側(cè)壓力只能設(shè)置成常壓，超過了管板的壓力限制。但是，由于是短時(shí)間試驗(yàn)，加上檢查的必要性以及以往電站的經(jīng)驗(yàn)，未對(duì)力學(xué)強(qiáng)度壓差限制作相應(yīng)的考慮。

圖4 運(yùn)行模式P-T圖

3）蒸汽發(fā)生器問題。對(duì)于高壓試驗(yàn)要特別注意材料的冷脆性問題，即在溫度降低時(shí)，金屬材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，此溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）。諸如大刀圖中，余熱排出系統(tǒng)要接入核島主管道系統(tǒng)，規(guī)定了最低投入溫度為160℃，這是為了防止反應(yīng)堆容器在整個(gè)壽期內(nèi)發(fā)生脆性斷裂的可能。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器，二次側(cè)水壓試驗(yàn)時(shí)溫度（殼體外表面以及管板外側(cè)表面測量的溫度）要求為RTNDT+30℃≤T≤60℃。測量方法采用非接觸紅外測量儀。在除氧器制水完畢后，含氧量測量合格后，使用輔助電鍋爐產(chǎn)生的蒸汽（1.2 MPa，188℃）通過輔助蒸汽分配系統(tǒng)接入除氧器，將水源加熱到60℃。熱水是在頭一天晚上完全填滿蒸汽發(fā)生器的，升壓定在第二天做。這里就有個(gè)問題，由于蒸汽發(fā)生器未安裝保溫，一個(gè)晚上都在散發(fā)熱量（主要為熱輻射和空氣的對(duì)流傳熱），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表面，164.6 m3（單個(gè)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)容積）液體水的比熱容是足夠堅(jiān)持一個(gè)晚上的消耗的，每小時(shí)的散熱量很小。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，第二天同一位置的測量溫度為50℃左右，可以保證實(shí)驗(yàn)的正常實(shí)施。

4）系統(tǒng)排水。排水時(shí)需要特別注意旁路排放系統(tǒng)的閥門積水問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，旁排閥前的隔離閥在水壓試驗(yàn)后水未全部排盡，進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)，由于蒸汽加熱積水，導(dǎo)致蒸發(fā)膨脹，使得閥門爆裂。另外，取樣管線正常沖洗較為困難，此次采用在卸壓的過程中，利用系統(tǒng)剩余壓力將雜質(zhì)一并沖出，本次壓力泄至1 MPa時(shí)進(jìn)行了相關(guān)操作[14]。水壓試驗(yàn)合格后，蒸汽發(fā)生器需要采用保養(yǎng)措施，如干保養(yǎng)[15]。

圖5 鐵素體鋼的 N.D.T.T.圖

4 結(jié) 語

核電廠的二回路水壓試驗(yàn)已經(jīng)在行業(yè)形成了成熟的方案和完善的經(jīng)驗(yàn)反饋，對(duì)于各個(gè)電廠的具體實(shí)施方案稍有差異，這主要是由于各個(gè)電廠的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和移交情況決定的。值得注意的是，水壓試驗(yàn)是個(gè)破壞性危險(xiǎn)試驗(yàn)，因此保證一次成功的壓力很大，決策者在試驗(yàn)過程中對(duì)漏點(diǎn)要進(jìn)行深思熟慮的判斷，以證明漏點(diǎn)處于可接受的范圍內(nèi)，拋開細(xì)枝末節(jié)，抓住主要驗(yàn)證對(duì)象，才能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的正確性和順利性。例如，福清試驗(yàn)過程中21組主蒸汽安全閥全部未安裝閥芯，閥座處采用水壓試驗(yàn)專用堵頭進(jìn)行封堵，封堵過程中O型密封圈的正確安裝是決定其密封性的重要因素。但是在水壓試驗(yàn)過程中，部分安全閥堵頭出現(xiàn)了不同程度的泄漏。首先此處不是閥門本體的缺陷造成的泄漏，其次，這是臨時(shí)封堵裝置的安裝失誤導(dǎo)致的泄漏，因此有理由相信閥芯正式安裝后，泄漏是不存在的，故此次泄漏可以忽略，系統(tǒng)繼續(xù)升壓。另一個(gè)比較大的漏點(diǎn)是蒸汽發(fā)生器主給水進(jìn)水逆止閥閥蓋的滲漏，此處漏量較大。需要做出說明的是，逆止閥在抽芯時(shí)，其閥蓋密封墊片未進(jìn)行更換，回裝過程中仍然采用舊的墊片，因此密封性能是無法保障的。在維修人員對(duì)閥蓋螺栓增加力矩后，漏點(diǎn)泄漏情況明顯改善，故此處的密封性在正常運(yùn)行時(shí)也是可以保障的，并非焊縫工藝問題，忽略，系統(tǒng)繼續(xù)升壓。最后的壓力曲線是合格的。

圖6 主控室顯示的水壓試驗(yàn)曲線

綜合性的系統(tǒng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)工程安裝的有效方法，不管是在試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備還是在試驗(yàn)的實(shí)施過程階段，面臨的問題都是復(fù)雜多樣的，只有對(duì)各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備作出全面的考慮才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)的安全性、有效性。

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