核電站二回路爆破吹掃和水壓試驗

朱林

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

0 引言

承壓設備役前通常會進行強度試驗以驗證其承壓的可用性，以及安全裕量。同樣，對連接完畢的承壓系統也會有相應的要求。福清核電1號機組二回路水壓試驗是指在二回路主系統安裝后、調試前對管道及其附件進行試壓，以檢查管道強度和密封性，使系統達到規定的強度試驗要求，為系統調試創造條件。

反應堆的堆芯里裝滿核燃料，反應堆發生鏈式反應后即放出能量轉化為熱量。為了冷卻堆芯，把整個堆芯泡在流水中。因這部分水（叫一回路水）接觸核燃料，帶有放射性，不能流向汽輪機做功發電，必須通過一個叫蒸汽發生器的熱交換器，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]。因此二回路實質上和常規火電廠的水汽回路差不多，只不過主換熱設備為蒸汽發生器。

1 試驗方案

核電廠二回路高壓承壓管路分為2個區域：1區為蒸汽發生器（含）至主蒸汽管道汽輪機進汽口，設計壓力8.6 MPa，試驗壓力位12.8 MPa；2區為給蒸汽發生器補水的相關系統，設計壓力12.3 MPa，試驗壓力為18.35 MPa[2]。具體的水壓試驗邊界可以根據實際情況做相應的調整，因此各個電廠的試驗邊界是不完全相同的。對于未參與水壓試驗的設備焊縫檢查可以用100%RT的方法代替。水壓試驗過程中，由于系統中不可避免地會存在泄漏點，在此使用動態保壓的方法，系統中人為設置泄漏管線[3]，這樣升壓泵組額定工況運行，不參與調解，用控制系統泄漏量的方法控制整個系統的升壓速率，安全可靠。

2 系統清掃

在水壓試驗前需要對管路系統進行清潔，對清潔使用的介質沒有明確規定，為了避免對系統引入其他介質，通常采用運行工質清潔。當然也有特別的情況，比如油系統的管路可以水洗也可以油洗，兩者顯著的差異體現在成本的區別上。在設計上，1區和2區由于工作介質的不同，清潔方式略有區別。

2.1 沖洗

2區工作介質為水，采用加聯氨并加熱的沖洗方式[4]。熱源可使用輔助鍋爐生產的蒸汽。總的原則為先旁路然后沖高低加。由于蒸汽發生器對于水質是有嚴格要求的，因此，2區的沖洗截止到蒸汽發生器進水口前。止回閥需要抽芯，可以使用內窺鏡檢查管道閥門死角的沖洗效果。

2.2 爆破吹掃

1區的工作介質為蒸汽。由于核電機組的特殊性，二回路不具備蒸汽沖管的條件，參考已建設的核電機組及國家有關電站管道清潔度控制要求，使用爆破吹掃技術來達到管道內清潔度指標要求。

蒸汽管道的吹掃是利用蒸汽壓力產生高速汽流的沖刷力，將附著在管路內的雜物沖走。利用不同物質熱膨脹系數的差異，降低腐蝕產物與管道表面的結合強度，使這些雜質在高溫汽流的沖刷下，從管道內壁剝落下來，排出管外[5]。目前，國內蒸汽管道的吹掃主要采用穩壓法和降壓法，其中降壓法的應用最廣泛[6]。區別于常規方法，核電廠由于工期跨度過大、設計差異等原因，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。

基本原理是把蒸發器作為充氣儲罐，A點充入壓縮空氣，當充氣壓力達到0.6 MPa時快速打開有爆破閥B，管道內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，反復數次，即可達到吹掃要求。采用爆破法吹掃管道時，吹掃介質（空氣）在爆破閥出口端B的瞬間流速可由管內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A處的壓力；PB為爆破時B處的壓力；ΔC2/2為動能，C為氣流速度；CA為爆破時A處的氣流速度；CB為爆破時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點水平方向上的遠近沒有關系（落差有關系），而A點的速度從開始到結束一直都很小，所以在實際吹掃過程中，蒸汽發生器以及出口的一小段由于氣流速度很低無法達到吹掃的目的。吹掃效果最好的是B點附近。如果將B點即爆破口水平遷移，那么就能對前面的管道進行很好的吹掃，只是由于儲氣體積的減少，每次的吹掃時間將逐漸減少，考慮到短路儲存的氣體有限，大部分氣體是在蒸汽發生器中儲存的，因此減少的時間是可以接受的，并可用增加次數的方法彌補。福清現場的吹掃方案中，B點是一個固定點，未進行上述考慮。以后的試驗中可以試著將儲氣點A上移以達到更好的吹掃效果。

對于放置靶板的管道的吹掃，連續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。對于沒有放置靶板的管道的吹掃，以出口處的空氣潔凈為準[8]。

圖2 爆破吹掃效果明顯

3 水壓試驗

整個水壓試驗的重點檢查部位應該為與蒸汽發生器相連管道的焊縫，以及蒸汽發生器二次側邊界。水壓試驗為破壞性試驗，對設備有損害，尤其是1.5倍設計壓力的強度試驗。因此，如果重點部位不出現滲漏，即可認定試驗合格。

福清現場因前期蒸汽發生器不可用，于是將1區和2區的試驗分開來做，2區實驗比較簡單，現就1區實驗總結經驗如下：

1）水壓試驗泵的選型問題。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的臨時升壓泵。但是要考慮到系統不可避免地存在漏點，如果升壓泵的流量過小，那么當泄漏流量等于升壓泵出口流量時，將導致系統壓力無法繼續升高。在福清機組試驗初期，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2 MPa壓力平臺之前，升壓速率緩慢，用了幾乎3 h。到后期，由于發現部分漏點，升壓速率越來越緩慢。因此立即更換為蒸汽發生器專用水壓試驗泵組，最高升壓速率為0.4 MPa/min（＜11.5 MPa），或0.1 MPa/min（≥11.5 MPa）[9]。

2）壓力平臺的選定問題。本次壓力平臺共設6個：5個升壓平臺，1個降壓平臺。其中升壓平臺相對于參考電站新增一個2 MPa的壓力檢查點。這是出于對蒸汽發生器管板可能發生泄漏的考慮。在此之前，由東方電氣（廣州）重型機器有限公司制造的寧德1#SG2、紅沿河2#SG1在工程現場二次側水壓試驗中發生了泄漏事件，因此需要在這個平臺仔細檢查，以提前發現處理問題。福清現場根據經驗反饋，在2012年年底，邀東重廠家對所有3臺SG的管板焊縫進行了100%PT檢查和部分RT檢查。

由于RT抽檢比率未達到100%，仍存在封口焊閉口體積缺陷漏檢的風險。廠家編制了相應的緊急預案[10]，并派人隨同參與水壓試驗，以確保泄漏的情況下及時處理。

另外，各壓力平臺的保壓時間是不盡相同的。水壓試驗屬于破壞性試驗，對設備會造成永久性傷害，壽期內水壓試驗次數不得超過10次[11]。加上安全方面的考慮，最高壓力平臺不能停留過久，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。

實際上，根據核島主管道標準工況P-T大刀圖[13]，蒸汽發生器管板兩側壓差是有限制的。左上限曲線是由蒸汽發生器管板的強度決定的。

圖3 升壓曲線（虛線為2區壓力曲線）

蒸汽發生器內U型管管板是一個開了很多孔的平板，受力學強度的限制，管板兩側壓差必須限制在11 MPa內，管板一次側為穩壓器壓力，二次側為一回路水溫對應的飽和壓力，即該限制線為PRCP=PSAT+11 MPa。整個試驗方案中最高壓力12.8 MPa下，需要進入蒸汽發生器水室檢查，所以一次側壓力只能設置成常壓，超過了管板的壓力限制。但是，由于是短時間試驗，加上檢查的必要性以及以往電站的經驗，未對力學強度壓差限制作相應的考慮。

圖4 運行模式P-T圖

3）蒸汽發生器問題。對于高壓試驗要特別注意材料的冷脆性問題，即在溫度降低時，金屬材料由韌性狀態轉變為脆性狀態，此溫度稱為韌脆轉變溫度（NDTT）。諸如大刀圖中，余熱排出系統要接入核島主管道系統，規定了最低投入溫度為160℃，這是為了防止反應堆容器在整個壽期內發生脆性斷裂的可能。

對于蒸汽發生器，二次側水壓試驗時溫度（殼體外表面以及管板外側表面測量的溫度）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，使用輔助電鍋爐產生的蒸汽（1.2 MPa，188℃）通過輔助蒸汽分配系統接入除氧器，將水源加熱到60℃。熱水是在頭一天晚上完全填滿蒸汽發生器的，升壓定在第二天做。這里就有個問題，由于蒸汽發生器未安裝保溫，一個晚上都在散發熱量（主要為熱輻射和空氣的對流傳熱），根據經驗表面，164.6 m3（單個蒸汽發生器二次側容積）液體水的比熱容是足夠堅持一個晚上的消耗的，每小時的散熱量很小。經過實踐檢驗，第二天同一位置的測量溫度為50℃左右，可以保證實驗的正常實施。

4）系統排水。排水時需要特別注意旁路排放系統的閥門積水問題，根據經驗反饋，旁排閥前的隔離閥在水壓試驗后水未全部排盡，進行功能試驗時，由于蒸汽加熱積水，導致蒸發膨脹，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，利用系統剩余壓力將雜質一并沖出，本次壓力泄至1 MPa時進行了相關操作[14]。水壓試驗合格后，蒸汽發生器需要采用保養措施，如干保養[15]。

圖5 鐵素體鋼的 N.D.T.T.圖

4 結 語

核電廠的二回路水壓試驗已經在行業形成了成熟的方案和完善的經驗反饋，對于各個電廠的具體實施方案稍有差異，這主要是由于各個電廠的實際系統設計和移交情況決定的。值得注意的是，水壓試驗是個破壞性危險試驗，因此保證一次成功的壓力很大，決策者在試驗過程中對漏點要進行深思熟慮的判斷，以證明漏點處于可接受的范圍內，拋開細枝末節，抓住主要驗證對象，才能實現試驗的正確性和順利性。例如，福清試驗過程中21組主蒸汽安全閥全部未安裝閥芯，閥座處采用水壓試驗專用堵頭進行封堵，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。但是在水壓試驗過程中，部分安全閥堵頭出現了不同程度的泄漏。首先此處不是閥門本體的缺陷造成的泄漏，其次，這是臨時封堵裝置的安裝失誤導致的泄漏，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，系統繼續升壓。另一個比較大的漏點是蒸汽發生器主給水進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，其閥蓋密封墊片未進行更換，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。在維修人員對閥蓋螺栓增加力矩后，漏點泄漏情況明顯改善，故此處的密封性在正常運行時也是可以保障的，并非焊縫工藝問題，忽略，系統繼續升壓。最后的壓力曲線是合格的。

圖6 主控室顯示的水壓試驗曲線

綜合性的系統試驗是檢驗工程安裝的有效方法，不管是在試驗的前期準備還是在試驗的實施過程階段，面臨的問題都是復雜多樣的，只有對各個系統、設備作出全面的考慮才能實現整個試驗的安全性、有效性。

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