超高壓水射流技術在SG二次側(cè)排污穴應用

錢艷平，陳政文，黃紫龍

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

俄VVER型核電機組蒸汽發(fā)生集流管排污穴室設計在蒸發(fā)器冷/熱側(cè)，在核電廠運行過程中蒸汽發(fā)生器二回路系統(tǒng)的腐蝕性產(chǎn)物通過集流管穴室收集排出。立式蒸汽發(fā)生器二次側(cè)腐蝕物多數(shù)情況下通過機械水力清洗方式，沖洗壓力約20 MPa，受限于蒸汽發(fā)生器傳熱管結(jié)構(gòu)，同類設備無法滿足VVER堆型蒸汽發(fā)生器集流管穴室環(huán)廊360°全范圍沖洗要求。

VVER蒸汽發(fā)生器集流管排污穴室為環(huán)形密封容器結(jié)構(gòu)，出入口為直徑為19 mm小接管。針對其接口尺寸小、清理范圍為360°的環(huán)型槽結(jié)構(gòu)、沉積物為片狀堆積布置等特點，本文主要研究清理方式的選擇、清理執(zhí)行端的送入方式、執(zhí)行端可達范圍以及人員操作的安全性和設備可靠性等。選擇合適的壓力等級，保證超高壓水射流清洗不會損傷被清洗基體，對設備和管道大小、材料、形狀等無特殊要求、無熱影響區(qū)、不會造成材料的結(jié)構(gòu)變化或熱變形。

1 總體思路

VVER堆型蒸發(fā)器內(nèi)壁與集流管外壁間形成的空腔叫集流管“穴室”（圖1）：單個集流管穴室共兩個入口接管，180°方向?qū)ΨQ布置，接管內(nèi)徑19 mm，每臺蒸發(fā)器包含冷段、熱段兩個集流管。由于臥式蒸發(fā)器排污穴室結(jié)構(gòu)特殊，其清理區(qū)域為環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，要求穴室內(nèi)壁100%位置可達無死區(qū)。

圖1 排污穴室結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，可以選用化學清理、機械清理等方式：機械清理方式的優(yōu)點是不環(huán)境污染，成本低、清洗效率較高、安全、可靠；化學清洗利用化學試劑浸泡或流動循環(huán)將污垢溶解后排出管道或容器外，廢液對環(huán)境易造成污染，并且化學溶劑浸泡時間較長，集流管出入口為現(xiàn)場臨時切割、易泄漏化學溶劑。

經(jīng)過多方面論證，最終決定采用超高壓機械水力清洗方式，基本思路是：以去離子水為介質(zhì)，通過特定的裝置或設備（高壓泵），利用噴嘴在一定壓力作用下能夠自動懸浮的性能，通過裝置推進可達到集流管穴室的360°全范圍。

2 設計方案

2.1 沖洗工藝流程

選擇定向沖洗與全范圍沖洗工藝相結(jié)合方式：首先利用直流噴嘴定向沖洗，有效打開通道，清除穴室底部泥渣，然后配合自旋轉(zhuǎn)噴嘴全范圍沖洗，可實現(xiàn)360°周向清洗，包括清除穴室底部和側(cè)壁上方的泥渣。根據(jù)模擬體參數(shù)試驗驗證，當壓力達到100 MPa時噴嘴自動懸浮，可有效抵達整個穴室環(huán)形區(qū)域。

2.2 實施方案

采用高壓水射流沖洗技術，一定體積的符合水化學標準的去鹽水（去離子水）注入水箱中，沖洗用水從水箱由前置泵送往高壓泵，經(jīng)高壓泵加壓至工作壓力。當系統(tǒng)達到工作壓力時，沖洗槍頭處于自懸浮狀態(tài)，通過手動推送高壓軟管，沖洗槍頭可環(huán)繞的SG（核電蒸汽發(fā)生器）集流管穴室環(huán)廊左右兩側(cè)0°～180°待沖洗區(qū)域，完成穴室環(huán)廊全沖洗的要求。抽吸后的廢液及殘渣沉積物，通過抽吸系統(tǒng)抽吸及過濾后排放至核島內(nèi)排污系統(tǒng)。

2.3 設備組成

SG集流管排污穴室沖洗設備能實現(xiàn)對蒸發(fā)器集流管穴室環(huán)廊360°全范圍沖洗、視頻檢查，該設備包括超高壓模塊、槍頭安裝模塊、抽吸過濾模塊和安全防護設備四大部分。

（1）超高壓模塊。提供沖洗所用的一定流量、一定壓力的高壓水平臺，建立沖洗系統(tǒng)回路，包括高壓泵及控制柜、過渡水箱、小型空壓機等輔助設備集成于一個集裝箱內(nèi)。

超高壓泵由電機直聯(lián)驅(qū)動，動力端自帶強制潤滑油泵及減速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換裝置帶有柱塞水潤滑和冷卻系統(tǒng)，采用組合式進排液閥設計，泵頭具有抗疲勞屈服能力。在以下臨界條件下具備自動停車功能：①超高壓泵最低油壓；②超高壓泵最低凈吸壓力；③水箱進水液位低；④驅(qū)動電機過載保護；⑤超高壓泵超壓保護安全爆破片280 MPa。

（2）槍頭安裝模塊。針對VVER堆型蒸發(fā)器集流管排污穴室，研制了一種水力沖洗槍頭導向定位裝置：能有效控制沖洗槍頭及視頻探頭運行方向，實現(xiàn)槍頭及視頻探頭在集流管環(huán)廊內(nèi)部左、右導向，同時避免水力沖洗回水從安裝入口處回流，實現(xiàn)集流管環(huán)廊周向0°～360°沖洗；安裝方便可靠，保證設備及人員安全；鎖緊螺母將裝置固定在集流管排污穴室入口接管外壁，固定螺栓插入帶快鎖功能的定位銷防止槍頭意外脫出，造成人員和設備損傷；通過鋼絲繩帶動導向套筒調(diào)整噴嘴方向；引流接頭外套波紋管并固定，推送高壓軟管使噴嘴到合適位置，標記高壓軟管起始位置，完成槍頭安裝導向。

（3）抽吸過濾模塊。首先廢液包括水和殘渣沉積物通過工業(yè)用真空吸塵器抽吸，廢液通過接管從集流管“穴室”進入吸塵器中，經(jīng)過過濾籃后廢液依次進入過濾器、過濾系統(tǒng)，然后排放至廠房排放口排放。吸塵器的吸風口內(nèi)部裝有鋼制偏轉(zhuǎn)裝置，能產(chǎn)生氣旋效應，減小吸料產(chǎn)生堵塞和磨損。

（4）安全防護設備，選用TST高壓安全防護服（含背心、連體服以及整體護手旋噴承壓280 MPa）和TST高壓安全防護靴旋噴承壓300 MPa。

圖2 設備組成

2.4 設備安全性分析

工作時水射流作用于集流管穴室內(nèi)壁，射流速度和方向均發(fā)生變化，在射流打擊面應用動量定理，可得FtΔt=mv1-mv2。

反射后在垂直方向的分量為反射速度的余弦值，假設反射后速度不變，取水射流反射后射流方向改變角度β為180°時，打擊力達到最大：

式中 Ft——水射流在穴室內(nèi)壁打擊力，N

ρ——為水射流密度，kg/m3

q——水射流流量，L/min

v——射流噴射速度，m/s

β——水射流反射后射流方向改變角度，°

當β=180°時，即射流完全反射時，總打擊力Ft達到最大值，即Ft=2ρqv。

整理后可得到Ft=π×d2×P。

在水射流噴射過程中，受擴散、阻力等因素影響，射流作用于穴室內(nèi)壁的打擊力遠遠小于理論計算：對于前向噴嘴單個噴嘴，最大打擊力Ft=π×0.452×150=95.38 N；對于自旋轉(zhuǎn)噴嘴單個噴嘴，最大打擊力Ft=π×0.32×150=42.39 N。

3 結(jié)論

本課題利用自旋轉(zhuǎn)噴嘴自懸浮技術，研究了一種密封環(huán)形容器泥渣清除方法，現(xiàn)場應用結(jié)果良好。設備操作安裝方便，安全性好，其沖洗槍頭安裝適合于多個工況，針對狹小空間或難以達到區(qū)域設備的清洗、除銹均可采用該技術，還可推廣至石油化工等小型管道等領域，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益和社會效益。