楊云斐

（秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

冰塞技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)末西方國家檢修領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于石化、電力等企業(yè)，我國幾個(gè)核電廠已經(jīng)開始了該技術(shù)的應(yīng)用。

冰塞技術(shù)就是利用專用裝置將管道內(nèi)部介質(zhì)凍結(jié)成冰柱，以承受一定的壓差，從而實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)隔離的功能。掌握冰塞形成的內(nèi)在規(guī)律，降低冰塞對(duì)管道應(yīng)力影響，了解低溫下管道金屬材質(zhì)的影響程度和冰塞解凍過程中對(duì)工藝系統(tǒng)的影響，做出合理評(píng)估，就能控制冰塞技術(shù)應(yīng)用帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)國內(nèi)外核電廠冰塞技術(shù)應(yīng)用失效的部分案例，結(jié)合秦山核電廠實(shí)際，進(jìn)行了冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)研究。根據(jù)秦山核電廠二回路部分系統(tǒng)管道材質(zhì)、規(guī)格、工況等情況，設(shè)計(jì)制作模擬工況試驗(yàn)回路系統(tǒng)，通過試驗(yàn)系統(tǒng)中的各類試驗(yàn)，獲得冰塞制作各類參數(shù)。通過金屬管道冷凍前后的金相組織分析、應(yīng)力測(cè)試、射線檢查等試驗(yàn)分析，掌握了冰塞形成過程中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并組織規(guī)劃出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。

圖1 液氮法冰塞制作裝置示意圖Fig.1 Liquid nitrogen ice-plug device

1 冰塞技術(shù)原理

冰塞技術(shù)是在充滿液體介質(zhì)的管道外裝上特殊的冷凍夾套。以液氮法為例，常壓下液氮蒸發(fā)可獲得-196 ℃的低溫，通過冷凍夾套，調(diào)節(jié)液氮蒸發(fā)速度從而控制管內(nèi)介質(zhì)溫度，介質(zhì)冷凍結(jié)成“冰塞”，形成的“冰塞”能經(jīng)得住系統(tǒng)隔離的壓差。一般情況下，從金屬管道內(nèi)壁表面開始結(jié)冰，并逐漸形成一個(gè)尺寸為管道直徑2～3倍長的冰塞，利用冰塞抵擋一定的壓差從而達(dá)到一種在線隔離的手段。

從圖1可以看出，金屬管道溫度在液氮的低溫效應(yīng)下，急劇變化，在極短的時(shí)間里從常溫狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O低溫度，管道內(nèi)介質(zhì)從管道內(nèi)壁表面開始結(jié)冰，逐漸形成冰塞。

冰塞常用冷凍介質(zhì)有：液氮、干冰、氟利昂等。冰塞技術(shù)要素有4項(xiàng)：1）冷凍夾套，2）冷凍介質(zhì)，3）專用工具，4）操作技術(shù)。任何單一部分均不能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)冰塞技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)它們又是密切相關(guān)，相互協(xié)調(diào)，相互補(bǔ)充的。

2 冰塞試驗(yàn)概況

根據(jù)秦山核電廠實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制作了冰塞試驗(yàn)回路裝置。建立冰塞試驗(yàn)回路裝置是為了針對(duì)不同溫度的可凍介質(zhì)，在不同材質(zhì)、管徑的管道內(nèi)，不同流態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，主要由水箱、加熱器、管道泵、調(diào)節(jié)閥、旁路調(diào)節(jié)閥、試驗(yàn)管件及管路附件等組成。圖2是冰塞試驗(yàn)回路示意圖。

根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)的流態(tài)，結(jié)合秦山核電廠工藝系統(tǒng)工況，將冰塞試驗(yàn)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。

水箱內(nèi)的介質(zhì)由于大氣壓力自然由水箱流向試驗(yàn)件，經(jīng)試驗(yàn)件上的放氣閥放氣后，充滿試驗(yàn)回路，此時(shí)可進(jìn)行介質(zhì)靜態(tài)下的冰塞試驗(yàn)。冰塞形成后，關(guān)閉試驗(yàn)件前、后隔離閥，通過試驗(yàn)件前、后打壓來檢驗(yàn)冰塞承載能力。

水箱內(nèi)的介質(zhì)經(jīng)管道泵加壓后，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后流經(jīng)試驗(yàn)件，然后流回水箱，經(jīng)加熱器加溫至規(guī)定的溫度后，進(jìn)入下一循環(huán)。實(shí)驗(yàn)件的流量可通過調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)范圍為0～4.5 m3/h。此時(shí)可進(jìn)行介質(zhì)動(dòng)態(tài)下的冰塞試驗(yàn)。冰塞形成后，關(guān)閉管道泵，關(guān)閉試驗(yàn)件前、后隔離閥，通過試驗(yàn)件前、后打壓來檢驗(yàn)冰塞承載能力。

在冰塞試驗(yàn)回路裝置上安裝電子流量計(jì)、熱電偶、多通道無紙記錄儀等測(cè)試元件采集到不同規(guī)格管道、不同介質(zhì)、不同工況下所需冷凍介質(zhì)的用量、冰塞形成時(shí)間、冰塞承壓能力、冰塞形成速率等重要參數(shù)，為規(guī)避冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)提供了理論依據(jù)。

圖2 冰塞試驗(yàn)回路示意圖Fig.2 Ice-plug experiment loop

3 冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析

由冰塞技術(shù)原理可以看出，冰塞形成過程中溫度—時(shí)間變化曲線呈碗形變化。以液氮法試驗(yàn)為例，試驗(yàn)組件：碳鋼管道φ133×4.5 mm，材質(zhì)20 g，環(huán)境溫度：20 ℃，冷凍介質(zhì)：液氮，低溫-196 ℃。從圖3冰塞形成過程中記錄溫度—時(shí)間變化曲線可以看出，冰塞形成初期溫度變化劇烈。

3.1 低溫對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響

通過冰塞模擬試驗(yàn)，對(duì)金屬材料冷凍前和冷凍后兩種狀態(tài)的同一材料進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中20號(hào)鋼在溫度－20 ℃情況下沖擊值不符合材料在低溫狀態(tài)－20 ℃的要求（ASME第II卷和GB 150）。短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1]表明：隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低；當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。

圖4、圖5表明，鋼的屈服強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu隨溫度的降低而升高，而且fy升高速度比fu快。說明鋼的塑性隨溫度的降低而降低。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)低碳鋼微觀結(jié)構(gòu)單晶樣品在不同溫度下進(jìn)行的臨界應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論：低碳鋼低溫脆性嚴(yán)重。文獻(xiàn)[3]對(duì)JBK-75鋼（不銹鋼）和合金鋼在-196℃試驗(yàn)點(diǎn)下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果，都有疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨溫度下降而下降的結(jié)論。對(duì)16Mn鋼進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果表明：16Mn鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨溫度下降而降低，當(dāng)溫度到-148 ℃時(shí)，試件在裂紋擴(kuò)展很短距離發(fā)生脆斷。

根據(jù)模擬秦山核電廠實(shí)際工況進(jìn)行冰塞試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了外部文獻(xiàn)相關(guān)結(jié)論：低碳鋼的低溫沖擊韌性低于標(biāo)準(zhǔn)，由于存在極大的低溫脆性，在冰塞過程中避免敲擊和管道憋壓超載。低溫對(duì)不銹鋼和合金鋼材質(zhì)的影響不大。

3.2 冰塞試驗(yàn)組件金屬金相分析

在冰塞試驗(yàn)組件固定區(qū)域截取1號(hào)試板，分別在冷凍前后進(jìn)行金相分析。1號(hào)試板選擇碳鋼管道材質(zhì)20 g。根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果表明：1號(hào)試板在冷凍前后金相組織基本正常，無明顯變化（見圖6、圖7）。

3.3 冰塞對(duì)金屬管道內(nèi)襯材質(zhì)的影響

圖3 冰塞形成過程中記錄溫度-時(shí)間變化曲線Fig.3 The temperature-time relation curve of ice-plug formation process

圖4 鋼力學(xué)性能隨溫度變化特征曲線Fig.4 The characteristic curve of steel mechanical behavior with temperature variation

圖5 低碳鋼沖擊吸收功與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of absorbed energy and temperature impacted by low carbon steel

圖6 1號(hào)試板焊縫組織形貌（冷凍前）Fig.6 1# test sheet welding seam microstructure (before freezing)

圖7 1號(hào)試板焊縫組織形貌（冷凍后）Fig.7 1# test sheet welding seam microstructure (after freezing)

在冰塞試驗(yàn)中，選擇內(nèi)襯聚四氟乙烯材料和橡膠材料的兩種碳鋼管道進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：內(nèi)襯聚四氟乙烯材料目視檢查，有微量變形。內(nèi)襯橡膠材料目視檢查，發(fā)現(xiàn)橡膠變形嚴(yán)重，容易脫落，形成的冰塞承載能力非常差。

4 冰塞技術(shù)應(yīng)用

4.1 冰塞技術(shù)應(yīng)用的幾個(gè)階段

根據(jù)冰塞模擬試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐，將冰塞技術(shù)應(yīng)用劃分為以下幾個(gè)階段。

1) 合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：依靠現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)金屬管道材質(zhì)情況、使用年限、探傷檢查情況進(jìn)行合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2) 方案的擬訂和比選：根據(jù)實(shí)際工況，考慮各種先決條件和約束條件，擬定多個(gè)可行的實(shí)施方案。根據(jù)冰塞制作參數(shù)，確定冰塞制作步驟中每個(gè)控制點(diǎn)。

3) 方案決策：由生產(chǎn)管理部門和技術(shù)支持專家對(duì)擬定的多個(gè)方案進(jìn)行綜合分析、決策。決策結(jié)果主要取決于方案的風(fēng)險(xiǎn)程度、決策人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)、行政等多因素的權(quán)衡。

4) 方案實(shí)施：根據(jù)決策結(jié)果，按照一定的組織體系，進(jìn)行方案的準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)工況的確認(rèn)。實(shí)施中必須充分考慮不確定因素和冰塞形成的幾個(gè)要素：管道內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)、足夠的冷凍介質(zhì)、足夠的冷凍時(shí)間、合理的冷凍速率控制。

5) 方案實(shí)施反饋：方案實(shí)施中，必須將實(shí)施過程中的異常情況進(jìn)行反饋，并得到最終處理后，再進(jìn)行下一步工序。發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾正，或根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整方案決策。

6) 技術(shù)總結(jié)：將冰塞技術(shù)應(yīng)用過程中的合理化建議和關(guān)鍵點(diǎn)控制情況進(jìn)行技術(shù)總結(jié)。

4.2 冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)照以上6個(gè)階段，逐一分析，識(shí)別各個(gè)方面的影響因素、工作過程的每個(gè)環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行分析、對(duì)比，冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)大致可以歸納為以下4個(gè)方面的內(nèi)容。

1) 冰塞對(duì)金屬管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)和操作人員對(duì)冰塞形成規(guī)律認(rèn)識(shí)不足的風(fēng)險(xiǎn)。前者為客觀存在，后者體現(xiàn)為主觀對(duì)客觀的認(rèn)識(shí)，比如對(duì)冰塞形成表象認(rèn)識(shí)不足存在誤差，對(duì)冰塞適用范圍認(rèn)識(shí)不足存在誤差等。

2) 冰塞技術(shù)應(yīng)用對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)不足的風(fēng)險(xiǎn)。由于試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)誤差等多方面的原因，任何現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況都可能和試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一致，而其應(yīng)用條件、冷凍介質(zhì)選用、冷凍介質(zhì)用量、冷凍時(shí)間都具有隨機(jī)性，面臨操作人員判斷失誤的風(fēng)險(xiǎn)。

3) 管理制度的科學(xué)性、規(guī)范化方面的風(fēng)險(xiǎn)。冰塞技術(shù)操作是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)操作，涉及一整套的技術(shù)方案、管理制度，如冰塞技術(shù)操作規(guī)程、冰塞制作實(shí)施方案、冰塞技術(shù)操作流程、工藝評(píng)估評(píng)定，這些方案、制度制定得是否科學(xué)、合理、規(guī)范，直接影響到方案決策結(jié)果的科學(xué)性，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施能否安全、可靠的執(zhí)行。

4) 相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員業(yè)務(wù)技術(shù)方面的風(fēng)險(xiǎn)。在冰塞技術(shù)應(yīng)用的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都離不開人的因素。從某種意義上來講，最終決策的科學(xué)與否、執(zhí)行效果的好壞，關(guān)鍵在于什么人決策、執(zhí)行，方案或制度由誰制訂。

4.3 控制冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

針對(duì)以上風(fēng)險(xiǎn)分析、識(shí)別及評(píng)價(jià)的結(jié)果，冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)采取以下對(duì)策。

1) 建立技術(shù)支持體系。加強(qiáng)冰塞技術(shù)應(yīng)用總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)反饋，努力提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)冰塞制作監(jiān)督評(píng)估，努力提高冰塞實(shí)施方案制訂能力、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)工藝、提升設(shè)備應(yīng)用可靠性、提高冰塞形成檢測(cè)手段，努力探索冰塞解凍規(guī)律，盡量降低認(rèn)識(shí)上的風(fēng)險(xiǎn)，并增加冰塞制作過程中的預(yù)警系統(tǒng)。

2) 建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從減少風(fēng)險(xiǎn)的角度來看，冰塞制作參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)越高，其操作過程中發(fā)生冰塞失效等事故的概率就越低。實(shí)踐表明，冰塞制作標(biāo)準(zhǔn)制定不光考慮試驗(yàn)條件還要考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，存在技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)等多種因素，應(yīng)在科學(xué)試驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，適度強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)，提高冰塞制作幾要素的儲(chǔ)備。

3) 建立科學(xué)規(guī)范的管理體系。由于冰塞技術(shù)應(yīng)用涉及多個(gè)部門、多個(gè)環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)系統(tǒng)性、綜合性極強(qiáng)的工作。涉及技術(shù)支持、設(shè)備管理、運(yùn)行操作、檢修操作等領(lǐng)域。要控制其風(fēng)險(xiǎn)，必須推進(jìn)管理規(guī)范化，把每一個(gè)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。在制定操作規(guī)程、實(shí)施方案時(shí)，要全面分析、科學(xué)論證，使實(shí)施準(zhǔn)備有一個(gè)良好的依據(jù)；其次，在規(guī)范規(guī)程方案的編制、審批、下達(dá)、執(zhí)行、監(jiān)督、反饋調(diào)整時(shí)，用合理的制度來減少人因失誤可能造成的風(fēng)險(xiǎn)；并嚴(yán)格執(zhí)行冰塞技術(shù)操作規(guī)程和實(shí)施方案，避免操作不規(guī)范可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；最后，建立完整的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，盡可能避免冰塞制作過程各類風(fēng)險(xiǎn)。

4) 加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)。各類標(biāo)準(zhǔn)和制度管理體系，最終都要通過一批專業(yè)技術(shù)工人的實(shí)施，才能最終體現(xiàn)冰塞技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性和安全性。因此，必須加強(qiáng)冰塞技術(shù)操作人員和方案制訂人員的專業(yè)技術(shù)、技能的培訓(xùn)，參加各類相關(guān)技術(shù)的國際國內(nèi)交流學(xué)習(xí)，不斷提高其業(yè)務(wù)水平，也是控制冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。

5 冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)控制在秦山核電廠的一些做法

在方案擬定及分析階段，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中可能存在的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)量級(jí)和可能產(chǎn)生的影響（后果）等進(jìn)行分析。舉例來說，對(duì)于碳鋼管道內(nèi)部是常溫水的工藝系統(tǒng)中制作冰塞進(jìn)行隔離，在風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)對(duì)措施上，應(yīng)考慮碳鋼管道低溫脆性、避免外應(yīng)力、檢測(cè)管道壁厚是否減薄、管道檢測(cè)是否有缺陷、系統(tǒng)管道承壓能力、介質(zhì)實(shí)際工況、檢修操作空間、現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境等等情況，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)大小顯然是逐一增加的。技術(shù)人員在擬定方案時(shí)，在能夠保證冰塞制作實(shí)現(xiàn)的情況下，應(yīng)考慮風(fēng)險(xiǎn)的大小，在實(shí)施方案中比對(duì)。在實(shí)際工作中，方案的制訂受多種因素制約，還要考慮風(fēng)險(xiǎn)的累積問題。

應(yīng)對(duì)實(shí)際操作風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，還常采用以下一些做法：

1) 低碳鋼材質(zhì)管道可采用多層夾套、選用干冰作為冷凍介質(zhì)、選用電動(dòng)冷凍機(jī)組（保證電動(dòng)冷凍機(jī)組電源盒備用電源）等多種方法，避免過冷的冷凍介質(zhì)，可以通過多段降溫，逐一避免溫差急劇變化，實(shí)現(xiàn)冰塞制作。

2) 工作環(huán)境狹小，空氣不流通，可通過加強(qiáng)通風(fēng)和空氣檢測(cè)，避免窒息風(fēng)險(xiǎn)。

3) 冰塞位置盡量遠(yuǎn)離封閉端，遠(yuǎn)離焊縫，避免外部熱源影響。

4) 根據(jù)冰塞解凍規(guī)律，在冰塞沒有完全解凍前，避免系統(tǒng)恢復(fù)投運(yùn)。

6 結(jié)束語

在核電廠運(yùn)行系統(tǒng)無法隔離的情況下應(yīng)用冰塞技術(shù)來隔離并進(jìn)行檢修，可促進(jìn)核電廠持續(xù)提升經(jīng)濟(jì)效益,支持穩(wěn)定運(yùn)行,并能快速消除缺陷設(shè)備對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，提高核電廠運(yùn)行可靠性。實(shí)踐證明,隨著技術(shù)工藝的持續(xù)改進(jìn)，不斷提升技術(shù)裝備等級(jí)，改進(jìn)技術(shù)管理流程，進(jìn)行合理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，冰塞技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)將得到有效控制。

[1]王元清，王曉哲，武延民.結(jié)構(gòu)鋼材低溫下主要力學(xué)性能指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2001，31.（WANG Yuan-qing, WANG Xiao-zhe,WU Yan-min.Experimental Study on the Main Mechanical Behavior Indicators of Structural Steel at Low Temperature [J].Industrial Architecture,2001, 31.）

[2]龍期威.低碳鋼的斷裂韌性和屈服強(qiáng)度的低溫溫度依賴性[J].金屬學(xué)報(bào)，1985，21.（LONG Qiwei.Low Temperature Dependency of Fracture Toughness and Yield Intensity of Low-carbon Steel [J].Journal of Metallography, 1985, 21.）

[3] P K Liaw ,W A Logsdon.Fatigue Crack Growth Threshold at Cryogenic Tempeiatures:A Review.Engineering Fracture Mechanics，1985，22(4):585-594.