蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)管板加熱研究及應(yīng)用

吳 雷,李夏書,代巍巍,王新剛,毛海誼,李文越,萬 川

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300)

0 引言

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)是按RSE-M《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》[1](1997)強(qiáng)制要求的重復(fù)法定水壓試驗(yàn)，間隔時(shí)間不能超過10年，主要目的是驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器二次側(cè)包括部分相連管道本體及焊縫的強(qiáng)度和密封性能，特別是U形管束以及管板焊縫的強(qiáng)度和密封性能[2-4]。

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)是M310機(jī)組在役檢查的重要內(nèi)容，是大修期間實(shí)施的主線工作，試驗(yàn)實(shí)施時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響大修進(jìn)度。管板加熱作為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，占整個(gè)試驗(yàn)工期的一半。因此，在保證安全與質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化管板加熱方案，提高管板加熱效率，縮短加熱時(shí)間，對(duì)于整個(gè)水壓試驗(yàn)和縮短大修工期，具有重要意義。

1 管板結(jié)構(gòu)和加熱要求

根據(jù)材料韌-脆轉(zhuǎn)變溫度特性要求，溫度應(yīng)與材料的力學(xué)性能相匹配，以保持足夠的安全余量，防止材料發(fā)生脆性破壞[1,5-6]。因此，在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)時(shí)，為防止材料(主要針對(duì)管板)發(fā)生脆性破壞，同時(shí)保證足夠的安全余量，需將管板加熱至要求溫度，并在整個(gè)試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)溫度保持在一定范圍內(nèi)。

1.1 管板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

秦山核電二期1，2號(hào)機(jī)組的蒸汽發(fā)生器為60F型立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器管板位于蒸汽發(fā)生器下部，連接下封頭及下筒體，是一回路和二回路的壓力邊界，其結(jié)構(gòu)見圖1。管板屬于超厚鍛件，材料為ASME SA-508 Cl.3a低合金鋼，管板的一回路側(cè)堆焊Inconel 690合金，厚度6.4 mm。蒸汽發(fā)生器上筒體直徑4 487.7 mm，平均壁厚在103.9 mm；下筒體直徑3 465.1 mm，平均壁厚在80.8 mm。管板厚度578.2 mm，相比筒體要厚得多。

圖1 蒸汽發(fā)生器管板結(jié)構(gòu)示意

由于管板超壁厚、大直徑，管板的熱容量很大，因此加熱到一定溫度，管板的熱量需求非常大。

1.2 管板加熱的溫度

根據(jù)RSE-M《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》[1]和RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》[5]要求，試驗(yàn)溫度取以下兩者中的高者。

(1)第一次水壓試驗(yàn)的規(guī)定溫度。

(2)比蒸汽發(fā)生器二次側(cè)屏障材料(通常為管板)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度RTNDT+30 ℃。

因此，根據(jù)以上兩點(diǎn)，計(jì)算確定確定水壓試驗(yàn)溫度，即管板加熱溫度。

通過查閱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造完工文件可知：(1)第一次水壓試驗(yàn)的規(guī)定溫度為21～55 ℃，實(shí)際出廠水壓試驗(yàn)的最高溫度為38 ℃；(2)蒸汽發(fā)生器各個(gè)部件材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度RTNDT見表1，水壓試驗(yàn)的蒸汽發(fā)生器韌-脆轉(zhuǎn)變溫度取各部件的最高RTNDT提高30 ℃，即RTNDT+30 ℃為10 ℃。

表1 蒸汽發(fā)生器各部件韌-脆轉(zhuǎn)變溫度RTNDT

通過比較，試驗(yàn)溫度確定為38 ℃，考慮到整個(gè)水壓試驗(yàn)期間的熱損失，增加安全余量5 ℃，最終要求管板加熱溫度≥43 ℃，同時(shí)水壓試驗(yàn)期間溫度需保持在38 ℃以上。

1.3 管板傳熱模型

管板加熱是一個(gè)非常復(fù)雜的傳熱過程。在水壓試驗(yàn)過程中，主要關(guān)注管板一次側(cè)和二次側(cè)兩個(gè)面的溫度滿足要求，為便于計(jì)算，建立簡(jiǎn)化模型，將加熱介質(zhì)與管板之間的傳熱近似看作單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)[7-10]，如圖2所示。

圖2 單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)示意

根據(jù)傅立葉定律熱傳導(dǎo)公式[7-8]：

(1)

式中,Q為傳熱速率，即單位時(shí)間通過平壁的熱量，W；t1，t2為平壁兩側(cè)的溫度、熱傳導(dǎo)推動(dòng)力，℃；b為平壁的厚度，m；λ為平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；A為平壁的面積，m2。

從式(1)可以看出：溫差t1-t2越大，熱傳導(dǎo)推動(dòng)力越大，傳熱速率越大；壁厚b越大，單位時(shí)間內(nèi)的傳熱速率越小。

通過以上傳熱模型分析,得到如下結(jié)論。

(1)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)采用的試驗(yàn)介質(zhì)是ASG輔助給水箱50 ℃的熱水，管板需加熱到43 ℃以上，此時(shí)的熱傳導(dǎo)推動(dòng)力僅為7 ℃，傳熱速率較低。因此，在條件允許的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(考慮到軟管及泵的耐溫性，溫度不能超過100 ℃)，采用80 ℃的熱水作為加熱介質(zhì)對(duì)管板進(jìn)行循環(huán)加熱，以提高熱傳導(dǎo)推動(dòng)力、傳熱速率，縮短加熱時(shí)間。

(2)與筒體相比，在管板超厚的情況下，要使管板一次側(cè)和二次側(cè)兩個(gè)表面達(dá)到要求溫度，所耗費(fèi)的時(shí)間將很長(zhǎng)。水壓試驗(yàn)期間的充水階段時(shí)間較短，靠試驗(yàn)介質(zhì)的傳熱無法達(dá)到要求溫度，

因此需在水壓試驗(yàn)充水前，提前對(duì)管板進(jìn)行預(yù)加熱。

2 管板加熱的設(shè)計(jì)方案

機(jī)組大修期間，蒸汽發(fā)生器管板溫度一般在21 ℃，管板要求加熱到43 ℃以上。為保證加熱速率，管板加熱采用80 ℃的熱水作為加熱介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)加熱，同時(shí)要求每次充水量在管板上方1 m 左右，同時(shí)將熱水及時(shí)排出，保持管板上方水位在0.5～1 m位置，確保加熱介質(zhì)主要向管板進(jìn)行傳熱。

2.1 管板加熱方式

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)的管板加熱方式一般有兩種：獨(dú)立加熱系統(tǒng)提供加熱介質(zhì)循環(huán)加熱管板[2，11-13]、除氧器加熱系統(tǒng)提供加熱介質(zhì)循環(huán)加熱管板。

(1)獨(dú)立加熱系統(tǒng)是一個(gè)單獨(dú)配置的獨(dú)立子系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)由專用設(shè)備組成，通過相關(guān)接口連入機(jī)組工藝系統(tǒng)，僅涉及輔助給水系統(tǒng)(ASG)，接口部分少，對(duì)常規(guī)島部分無影響，運(yùn)行隔離和系統(tǒng)在線要求低，大修計(jì)劃安排方便，能最大程度地優(yōu)化大修工期。在役核電廠進(jìn)行水壓試驗(yàn)，一般采用獨(dú)立加熱系統(tǒng)的模式。

圖3 獨(dú)立加熱系統(tǒng)示意

(2)除氧器加熱系統(tǒng)(如圖4所示)主要通過機(jī)組本身的工藝系統(tǒng)，需運(yùn)行機(jī)組或者鍋爐房提供加熱蒸汽，涉及到常規(guī)島主給水除氧器系統(tǒng)(ADG)、高壓加熱器系統(tǒng)(AHP)、主給水泵系統(tǒng)(APA)、蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(STR)、常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)(SER)、輔助蒸汽分配系統(tǒng)(SVA)等眾多系統(tǒng)，同時(shí)閥門邊界多、運(yùn)行隔離和系統(tǒng)在線要求高，大修核島、常規(guī)島計(jì)劃安排困難，影響大修工期，風(fēng)險(xiǎn)非常高。一般在機(jī)組調(diào)試期間，二回路整體打壓時(shí)使用除氧器加熱系統(tǒng)。

圖4 除氧器加熱系統(tǒng)示意

2.2 管板熱容量及充水次數(shù)

蒸汽發(fā)生器管板加熱是一個(gè)比較復(fù)雜的傳熱過程，因?yàn)檎麄€(gè)水壓試驗(yàn)過程的各個(gè)步驟均存在一定熱損失，所以充水次數(shù)只能估算，主要是得出整個(gè)循環(huán)加熱的充水次數(shù)，為電加熱器和加熱水箱的選型提供參考和指導(dǎo)。為便于計(jì)算，不考慮管道和筒體的熱損失，即熱水損失的熱量全部被管板吸收。

根據(jù)秦山第二核電廠1，2號(hào)機(jī)組蒸汽發(fā)生器的完工資料可知，管板的比熱容C管板=460.5 J/(kg·℃)，密度ρ管板=7.9×103kg/m3，直徑d管板=3.465 1 m，厚度h管板=0.584 6 m，初始溫度T1=21 ℃；加熱溫度T2=43 ℃，根據(jù)熱容量計(jì)算公式：

(2)

計(jì)算得出管板加熱到43 ℃時(shí)，所需總熱容量Q管板=4.4×108J。

加熱介質(zhì)為水，水的密度ρ水=971.8 kg/m3，比熱容C水=4.195×103J/(kg·℃)。每次充水量為管板上方1 m位置，忽略蒸汽發(fā)生器筒體內(nèi)構(gòu)件及管束的體積，由此計(jì)算得出加熱介質(zhì)V水≈8.5 m3。

根據(jù)傅立葉定律熱傳導(dǎo)公式，為得到較高的傳熱速率，需要較高的熱傳導(dǎo)推動(dòng)力。在管板加熱時(shí)，充熱水的同時(shí)進(jìn)行排水，保持排水只有很小的溫降Δt=0.5 ℃，保證加熱介質(zhì)和管板之間始終有較高的熱傳導(dǎo)推動(dòng)力。每次充水傳遞給管板熱容量為:

Q水=Cm(T1-T2)=C水ρ水V水Δt=1.73×107J

由此可以計(jì)算得出，循環(huán)加熱的充水次數(shù)n=Q管板/Q水≈25.4次。

2.3 電加熱器功率及加熱水箱容積

管板加熱的每個(gè)充水加熱循環(huán)流程如圖5所示，管板加熱及排水不單獨(dú)占用時(shí)間。

圖5 充水加熱循環(huán)流程

根據(jù)大修主線計(jì)劃，管板加熱的總時(shí)間要求≤16 h。充水次數(shù)為25.4次，因此計(jì)算每次循環(huán)的總時(shí)間T總≈37.8 min。

ASG輔助給水箱至加熱水箱的傳水速率一定，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，充滿加熱水箱需要時(shí)間T加水=4 min。

查詢水壓試驗(yàn)裝置中充水泵的流量為90.8 m3/h，計(jì)算得到每次向管板充水的時(shí)間為：

式中，T充水為向管板充水的時(shí)間，min。

考慮因閥門開關(guān)、控制操作等操作時(shí)間的損耗，假設(shè)總損耗時(shí)間T操作=5 min，將加熱水箱中50 ℃的水加熱至80 ℃所需時(shí)間為：

T加熱=T總-T加水-T充水-T操作=23.2 min

式中，T加熱為水箱熱水加熱至80 ℃的時(shí)間，min；T加水為每次水箱加水的時(shí)間，min；T操作為閥門/控制操作等時(shí)間，min。

將加熱水箱中50 ℃的水加熱至80 ℃所需的熱量為：

Q水箱=Cm(T1-T2)=1.04×109J

根據(jù)公式W=PT加熱=Q水箱，計(jì)算得到所需要電加熱器的總功率P=Q水箱/T加熱≈747 kW。因此，選擇電加熱器的總功率為750 kW。

加熱水箱容積通過每次的充水量來估算得出，同時(shí)考慮電加熱器占用的體積，因此選擇加熱水箱容積為10 m3。

3 管板加熱的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 實(shí)施情況

秦山第二核電廠1，2號(hào)機(jī)組在109和208大修，按計(jì)劃順利實(shí)施了共4臺(tái)蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)水壓試驗(yàn)[2]。管板加熱達(dá)到預(yù)期效果，水壓試驗(yàn)期間管板溫度保持與監(jiān)測(cè)穩(wěn)定。

4臺(tái)蒸汽發(fā)生器管板加熱的實(shí)際平均時(shí)間為16.625 h、充水次數(shù)為24.75次。加熱時(shí)間及充水次數(shù)滿足預(yù)期要求。整個(gè)水壓試驗(yàn)過程，管板溫度一直保持在38 ℃以上,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況見表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

3.2 后續(xù)改進(jìn)

隨著科技水平的發(fā)展以及環(huán)保要求的提高，同時(shí)結(jié)合管板加熱實(shí)際實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)反饋，水壓試驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化改造以及管板加熱方式的優(yōu)化勢(shì)在必行。

(1)水壓試驗(yàn)設(shè)備。目前的水壓試驗(yàn)整套設(shè)備是8年前購置的，基本設(shè)備都是手動(dòng)操作，通過對(duì)設(shè)備自動(dòng)化、智能化的改造，可以極大提升操作效率。

(2)加熱方式[14]。隨著環(huán)保要求的提高，水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)用水不能隨意排放，需要通過中和處理至允許要求才能排放至環(huán)境中。后續(xù)考慮采用試驗(yàn)用水循環(huán)利用進(jìn)行加熱的優(yōu)化方式。

(3)排水操作?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施期間，排水系統(tǒng)的排水泵因流量較小，在整個(gè)充水過程中基本上一直處于排水狀態(tài)，造成管板上方的加熱介質(zhì)水位比較高，加熱后介質(zhì)一直無法及時(shí)排掉，影響加熱效率，后續(xù)可考慮選用流量較大的排水泵。

4 結(jié)語

管板加熱作為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)大修工期有重要影響。本文根據(jù)大修工期要求，通過對(duì)管板熱容量、充水次數(shù)等方面的估算，最終確定管板加熱設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施表明，管板加熱方案效果良好，滿足預(yù)期要求，驗(yàn)證了相關(guān)估算具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，通過對(duì)整個(gè)管板加熱流程的梳理，為今后進(jìn)一步優(yōu)化管板加熱效率、縮短加熱時(shí)間提供重要參考和研究方向。