蒸汽發(fā)生器二次側泥渣沖洗工藝的驗證技術

熊前山，劉一博，賀小明，張高劍，陶子航，秦 驥

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223;2.核動力運行研究所，湖北 武漢 430223)

核電站運行過程中，蒸汽發(fā)生器(SG)一回路的熱量傳遞給二回路工質使之產生滿足要求的蒸汽。與此同時，二回路系統(tǒng)水介質中有固態(tài)的腐蝕產物雜質和離子(如Cl-，SO42-,Ca2+,Mg2+,Al3+等)，隨介質進入蒸汽發(fā)生器二次側后，經過蒸發(fā)、濃縮匯聚沉積在蒸汽發(fā)生器二次側管板表面、流量分配板和支撐板表面以及傳熱管外表面等位置[1]。隨著核電站運行時間的增加，泥渣沉積可能導致管材腐蝕，蒸汽壓力下降，梅花孔堵塞與水位不穩(wěn)等問題，影響蒸汽發(fā)生器安全、穩(wěn)定的運行。

為較好地解決泥渣沉積的問題，需要定期進行泥渣沖洗。蒸汽發(fā)生器二次側泥渣沖洗技術是利用高壓水射流將管束內的沉積物打碎并沖至外環(huán)廊，通過環(huán)流驅趕到抽吸系統(tǒng)的吸入口，將其吸出，以達到去除蒸汽發(fā)生器二次側管板上沉積物的目的[2]。

隨著清洗技術的發(fā)展或原有清洗技術使用環(huán)境發(fā)生變化，新的清洗技術不斷被開發(fā)出來。根據能源行業(yè)標準關于蒸汽發(fā)生器沖洗工作的要求，新開發(fā)的清洗技術或已有技術的使用環(huán)境發(fā)生變化時，應用前應開展安全性試驗和清洗效果試驗[3]。本文介紹了針對新研制的導軌式泥渣沖洗槍的安全性和功能性試驗驗證的情況。

由于國內蒸汽發(fā)生器類型眾多，本試驗以M310機組的55/19B型蒸汽發(fā)生器為例進行分析和試驗研究，國內其他立式蒸汽發(fā)生器的主要參數均與之近似，本試驗同樣具有參考意義。

1 安全性試驗

在正常水力沖洗過程中，高壓水射流正對傳熱管管間進行泥渣沖洗工作，在槍體步進過程中高壓泵泄壓，無水射流射出，因此在泥渣沖洗全程高壓水射流均不會正對傳熱管進行沖洗。考慮多重失效疊加的極端情況下，水射流存在沖射傳熱管管壁的可能性。由于傳熱管是核電廠一、二回路的壓力邊界，因此必須驗證高壓水射流正對傳熱管沖洗的極端情況下的安全性。

1.1 試驗方案分析

1.1.1 沖洗時間分析

蒸汽發(fā)生器二次側水力沖洗的最大時間H小時，其中共需步進的管間數m排，沖洗槍的噴嘴數n排，每排管間槍體從冷側外環(huán)廊擺動至熱側外環(huán)廊的擺動角度D，水射流至中心管廊兩側第一排管間的散射角d。

考慮到管板中心區(qū)域可能比兩側區(qū)域沖洗時間更長，同時考慮較大的安全裕量，本次安全性試驗正對傳熱管沖洗的時間定為30 min，其中每10 min測量并記錄一次。

1.1.2 對沖壓力分析

在使用剛性沖洗槍進行泥渣沖洗時，沖洗壓力一般為8 MPa至20 MPa，因此本試驗選用上限值20 MPa進行測試。

1.1.3 模擬傳熱管分析

蒸汽發(fā)生器的傳熱管為經過特殊熱處理的Inconel-690管材，管材外徑為19 mm，厚度為1 mm?？紤]到經濟性，本次試驗中傳熱管采用304不銹鋼材質，該材質的硬度和實際傳熱管較為接近，加工外徑及厚度與實際傳熱管的尺寸相同。

1.2 試驗步驟

蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗的安全性試驗步驟如下：

1)將導軌安裝在SG模擬體流量分配板上，并完成對心操作；

2)按照正確的順序連接管線；

3)檢查氣缸及電機動作是否正常；

4)調整位置，使水射流對準傳熱管，如圖1所示；

5)沖洗開始前對水射流正對的傳熱管區(qū)域測量直徑，并在傳熱管上標記測量位置，同時對測量區(qū)域的表面狀況進行目視檢查；

6)微調槍體，使水射流正對傳熱管上標記的位置(見圖1)；

7)緩慢升壓至20 MPa，槍體不擺動，使高壓水射流正對傳熱管持續(xù)沖洗，如圖2所示；

8)在升壓前及升壓后每隔10 min泄壓、停泵一次，對n排傳熱管的標記位置測量直徑，同時目視檢查對沖區(qū)域及附近的表面狀況；

9)拆除設備，清理現(xiàn)場。

圖1 水射流正對傳熱管Fig.1 Jet water sprayed onto the heat exchanger tube

圖2 壓力達到20 MPa時對沖效果Fig.2 Hedging effect when the pressure reaches 20 MPa

1.3 試驗結果及分析

導軌式泥渣槍沖洗安全性試驗數據記錄在表1中。

通過沖洗前后對比發(fā)現(xiàn)，傳熱管直徑未發(fā)生可測量變化，傳熱管未觀測到形變。水射流對沖區(qū)域傳熱管表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹陷等現(xiàn)象，但水射流對沖區(qū)域較其他區(qū)域更為光亮，如圖3所示。

表1 安全性試驗記錄表

圖3 經過30 min對沖后，對沖點更為光亮Fig.3 The opposite flushing point is smootherand more shining after flushing for 30 min

2 有效性試驗

本試驗用于測試水力沖洗設備是否能對管板上的泥渣進行有效的清除。

2.1 試驗方案分析

2.1.1 模擬泥渣分析

模擬泥渣采用四氧化三鐵粉末、水泥、細沙和水按照一定的體積比例混合，混合后的泥渣均勻涂抹于模擬體冷熱側各5×5的管間區(qū)域內(在模擬體上可涂抹多個5×5的管間區(qū)域，用于不同參數的試驗)，涂抹完成后讓其自然干燥，即完成模擬泥渣的放置。

2.1.2 沖洗壓力分析

本次導軌槍試驗壓力按照設計沖洗壓力15 MPa進行試驗。

2.1.3 沖洗時間分析

本套導軌槍在自動沖洗模式下每擺用時40 s，槍體共需步進104步，因此每一步擺動一擺共需用時69.3 min，按照沖洗程序中總時間26 h計算，每一步應沖洗14.7 min。由于槍體有4排噴嘴，因此每排管間實際接收水射流清洗的時間應乘以4。本次試驗中沖洗1臺蒸汽發(fā)生器用時的對照表2如所示。

表2 沖洗一臺蒸汽發(fā)生器用時對照表Table 2 Time table for the sludge lancing ofsteam generator secondary side

2.2 試驗步驟

蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗的有效性試驗步驟如下：

1)在蒸汽發(fā)生器模擬體上涂抹模擬泥渣，并讓其自然干燥；

2)在沖洗工作開始前對泥渣區(qū)域進行視頻檢查并錄像，如圖4所示；

3)進行槍體的安裝，檢查連接處是否可靠、有無漏水現(xiàn)象，若有問題及時排除；

4)緩慢升壓至15 MPa，操作槍體步進，使水射流對準涂抹泥渣的四排傳熱管管間，沖洗37.3 min，如圖5所示；

5)槍體擺動結束后，對沖洗后的管間區(qū)域進行視頻檢查，觀察管板清潔度狀況，如圖6所示；

6)將沖洗時間分別改為48 min和58.7 min，再次試驗(為簡化步驟，也可在原涂抹泥渣管間通過增加擺數實現(xiàn)該步驟)；

7)拆除設備，清理現(xiàn)場。

圖4 沖洗前管間泥渣分布狀態(tài)Fig.4 Distribution of sludge betweentubes before flushing

圖5 15 MPa壓力下的泥渣沖洗Fig.5 Sludge flushing under 15 MPa pressure

圖6 沖洗后管間泥渣已沖洗干凈Fig.6 The mud between tubes has beenrinsed clean after flushing

2.3 試驗結果及分析

導軌式泥渣槍沖洗有效性試驗的數據記錄在表3中。

表3 功能性試驗記錄表

對于模擬試驗泥渣，平行于射流的管間方向，設定的沖洗時間均可將泥渣沖洗干凈。垂直于射流的管間方向，由于為沖洗的陰影區(qū)域，沖洗58.7 min后仍有少量模擬泥渣未被沖走。

在蒸汽發(fā)生器模擬體上試驗過程中，涂了模擬泥渣的一邊在試驗結束后，模擬體的油漆被部分沖掉，露出光亮的金屬基體，而在未涂泥渣的另一邊，管板底部的油漆涂層完整，分析認為，模擬泥渣在被高壓水射流破碎沖出模擬體的過程中，攜帶的細小磨削對管板底部油漆涂層不斷切削摩擦，造成油漆涂層破壞，從而呈現(xiàn)出光亮的金屬基體，這也驗證了水射流中關于“磨料流”的相關理論分析，如圖7所示。

圖7 沖洗后的管間區(qū)域外觀形態(tài)Fig.7 Appearance of the zone between tubes after flushing

3 總結與展望

本文蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗工藝的安全性和有效性進行了較為系統(tǒng)的試驗驗證。通過試驗證明本次研制的導軌式沖洗槍在20 MPa的沖洗壓力下對蒸汽發(fā)生器特別是傳熱管是安全的，即使的在極端情況下也不會造成傳熱管的損傷。該套設備在15 MPa的沖洗工作壓力下可以有效的清除管板上沉積的泥渣，但對于垂直中心管廊的陰影區(qū)域的泥渣清洗效果不理想，需要輔助使用眼孔沖洗槍或柔性沖洗槍達到更好的沖洗效果。

我國核電事業(yè)正處在蓬勃發(fā)展期，新的蒸汽發(fā)生器結構和新的清洗工藝不斷被開發(fā)出來。新工藝在現(xiàn)場應用前必須進行安全性和有效性的試驗驗證，通過文本所介紹的工作，可以為后續(xù)相關驗證工作提供有益的參考。