蒸汽發生器二次側水壓試驗管板加熱研究及應用

吳 雷,李夏書,代巍巍,王新剛,毛海誼,李文越,萬 川

(中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300)

0 引言

蒸汽發生器二次側水壓試驗是按RSE-M《壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規則》[1](1997)強制要求的重復法定水壓試驗，間隔時間不能超過10年，主要目的是驗證蒸汽發生器二次側包括部分相連管道本體及焊縫的強度和密封性能，特別是U形管束以及管板焊縫的強度和密封性能[2-4]。

蒸汽發生器二次側水壓試驗是M310機組在役檢查的重要內容，是大修期間實施的主線工作，試驗實施時間的長短直接影響大修進度。管板加熱作為蒸汽發生器二次側水壓試驗的一個重要組成部分，占整個試驗工期的一半。因此，在保證安全與質量的前提下，通過優化管板加熱方案，提高管板加熱效率，縮短加熱時間，對于整個水壓試驗和縮短大修工期，具有重要意義。

1 管板結構和加熱要求

根據材料韌-脆轉變溫度特性要求，溫度應與材料的力學性能相匹配，以保持足夠的安全余量，防止材料發生脆性破壞[1,5-6]。因此，在蒸汽發生器二次側水壓試驗時，為防止材料(主要針對管板)發生脆性破壞，同時保證足夠的安全余量，需將管板加熱至要求溫度，并在整個試驗期間監測溫度保持在一定范圍內。

1.1 管板結構特點

秦山核電二期1，2號機組的蒸汽發生器為60F型立式自然循環蒸汽發生器。蒸汽發生器管板位于蒸汽發生器下部，連接下封頭及下筒體，是一回路和二回路的壓力邊界，其結構見圖1。管板屬于超厚鍛件，材料為ASME SA-508 Cl.3a低合金鋼，管板的一回路側堆焊Inconel 690合金，厚度6.4 mm。蒸汽發生器上筒體直徑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 蒸汽發生器管板結構示意

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RSE-M《壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規則》[1]和RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》[5]要求，試驗溫度取以下兩者中的高者。

(1)第一次水壓試驗的規定溫度。

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

因此，根據以上兩點，計算確定確定水壓試驗溫度，即管板加熱溫度。

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

表1 蒸汽發生器各部件韌-脆轉變溫度RTNDT

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

1.3 管板傳熱模型

管板加熱是一個非常復雜的傳熱過程。在水壓試驗過程中，主要關注管板一次側和二次側兩個面的溫度滿足要求，為便于計算，建立簡化模型，將加熱介質與管板之間的傳熱近似看作單層平壁一維穩態熱傳導[7-10]，如圖2所示。

圖2 單層平壁一維穩態熱傳導示意

根據傅立葉定律熱傳導公式[7-8]：

(1)

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

從式(1)可以看出：溫差t1-t2越大，熱傳導推動力越大，傳熱速率越大；壁厚b越大，單位時間內的傳熱速率越小。

通過以上傳熱模型分析,得到如下結論。

(1)蒸汽發生器二次側水壓試驗采用的試驗介質是ASG輔助給水箱50 ℃的熱水，管板需加熱到43 ℃以上，此時的熱傳導推動力僅為7 ℃，傳熱速率較低。因此，在條件允許的情況下，根據現場實際情況(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對管板進行循環加熱，以提高熱傳導推動力、傳熱速率，縮短加熱時間。

(2)與筒體相比，在管板超厚的情況下，要使管板一次側和二次側兩個表面達到要求溫度，所耗費的時間將很長。水壓試驗期間的充水階段時間較短，靠試驗介質的傳熱無法達到要求溫度，

因此需在水壓試驗充水前，提前對管板進行預加熱。

2 管板加熱的設計方案

機組大修期間，蒸汽發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進行循環加熱，同時要求每次充水量在管板上方1 m 左右，同時將熱水及時排出，保持管板上方水位在0.5～1 m位置，確保加熱介質主要向管板進行傳熱。

2.1 管板加熱方式

蒸汽發生器二次側水壓試驗的管板加熱方式一般有兩種：獨立加熱系統提供加熱介質循環加熱管板[2，11-13]、除氧器加熱系統提供加熱介質循環加熱管板。

(1)獨立加熱系統是一個單獨配置的獨立子系統，如圖3所示。該系統由專用設備組成，通過相關接口連入機組工藝系統，僅涉及輔助給水系統(ASG)，接口部分少，對常規島部分無影響，運行隔離和系統在線要求低，大修計劃安排方便，能最大程度地優化大修工期。在役核電廠進行水壓試驗，一般采用獨立加熱系統的模式。

圖3 獨立加熱系統示意

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

圖4 除氧器加熱系統示意

2.2 管板熱容量及充水次數

蒸汽發生器管板加熱是一個比較復雜的傳熱過程，因為整個水壓試驗過程的各個步驟均存在一定熱損失，所以充水次數只能估算，主要是得出整個循環加熱的充水次數，為電加熱器和加熱水箱的選型提供參考和指導。為便于計算，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。

根據秦山第二核電廠1，2號機組蒸汽發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 ℃，根據熱容量計算公式：

(2)

計算得出管板加熱到43 ℃時，所需總熱容量Q管板=4.4×108J。

加熱介質為水，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，忽略蒸汽發生器筒體內構件及管束的體積，由此計算得出加熱介質V水≈8.5 m3。

根據傅立葉定律熱傳導公式，為得到較高的傳熱速率，需要較高的熱傳導推動力。在管板加熱時，充熱水的同時進行排水，保持排水只有很小的溫降Δt=0.5 ℃，保證加熱介質和管板之間始終有較高的熱傳導推動力。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

由此可以計算得出，循環加熱的充水次數n=Q管板/Q水≈25.4次。

2.3 電加熱器功率及加熱水箱容積

管板加熱的每個充水加熱循環流程如圖5所示，管板加熱及排水不單獨占用時間。

圖5 充水加熱循環流程

根據大修主線計劃，管板加熱的總時間要求≤16 h。充水次數為25.4次，因此計算每次循環的總時間T總≈37.8 min。

ASG輔助給水箱至加熱水箱的傳水速率一定，通過現場實際測試，充滿加熱水箱需要時間T加水=4 min。

查詢水壓試驗裝置中充水泵的流量為90.8 m3/h，計算得到每次向管板充水的時間為：

式中，T充水為向管板充水的時間，min。

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

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 ℃的時間，min；T加水為每次水箱加水的時間，min；T操作為閥門/控制操作等時間，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

根據公式W=PT加熱=Q水箱，計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 管板加熱的現場實施

3.1 實施情況

秦山第二核電廠1，2號機組在109和208大修，按計劃順利實施了共4臺蒸汽發生器的二次側水壓試驗[2]。管板加熱達到預期效果，水壓試驗期間管板溫度保持與監測穩定。

4臺蒸汽發生器管板加熱的實際平均時間為16.625 h、充水次數為24.75次。加熱時間及充水次數滿足預期要求。整個水壓試驗過程，管板溫度一直保持在38 ℃以上,現場實施情況見表2。

表2 現場實施情況

3.2 后續改進

隨著科技水平的發展以及環保要求的提高，同時結合管板加熱實際實施的經驗反饋，水壓試驗設備的自動化、智能化改造以及管板加熱方式的優化勢在必行。

(1)水壓試驗設備。目前的水壓試驗整套設備是8年前購置的，基本設備都是手動操作，通過對設備自動化、智能化的改造，可以極大提升操作效率。

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

(3)排水操作?，F場實施期間，排水系統的排水泵因流量較小，在整個充水過程中基本上一直處于排水狀態，造成管板上方的加熱介質水位比較高，加熱后介質一直無法及時排掉，影響加熱效率，后續可考慮選用流量較大的排水泵。

4 結語

管板加熱作為蒸汽發生器二次側水壓試驗的重要環節，對大修工期有重要影響。本文根據大修工期要求，通過對管板熱容量、充水次數等方面的估算，最終確定管板加熱設計方案。現場實施表明，管板加熱方案效果良好，滿足預期要求，驗證了相關估算具有一定的指導意義。同時，通過對整個管板加熱流程的梳理，為今后進一步優化管板加熱效率、縮短加熱時間提供重要參考和研究方向。