胡明磊，張 維，尚憲和

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

儲罐作為各種溶液的存儲裝備，是石油化工、儲運系統(tǒng)及核電站的重要組成部分[1-2]。由于儲罐的大型化帶來的穩(wěn)定性問題是當前立式圓筒形儲罐研究的重點問題之一。常壓儲罐設計壓力較低，殼體壁厚較薄，若罐內(nèi)負壓增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后殼體不能恢復原狀, 即發(fā)生了屈曲或稱為失穩(wěn)。在實際的工程操作中，多種原因可能引起儲罐的失穩(wěn)。如罐頂?shù)暮粑y、阻火器和通氣管等安全附件失效，導致罐內(nèi)呼吸不暢或系統(tǒng)堵塞；外界氣溫變化大，如下暴雨時氣溫驟降，熱效應引起的油罐吸氣量非常大，實際能補進的空氣量遠不能滿足熱效應引起的吸氣量之需，從而使罐內(nèi)產(chǎn)生很大的負壓導致抽癟[3-6]。

儲罐抽癟導致油品或溶液外泄，特別是核電廠用大型儲罐，由于檢修過程不規(guī)范，出現(xiàn)因負壓導致罐子吸癟的情況發(fā)生，給電廠帶來嚴重的經(jīng)濟損失和安全隱患。在以往出現(xiàn)的儲罐吸癟事件發(fā)生時，核電廠多采用割頂補焊的方式，該方法一方面工程耗資大，另一方面工程周期長，將會大幅度延長大修周期。本文結合秦山核電站輔助給水箱屈曲修復案例，開發(fā)了一套適用于核電站核級大型儲罐屈曲狀態(tài)下的材料評估，罐體修復，內(nèi)部清洗及鈍化的系統(tǒng)解決方案。以期降低維修成本，縮短維修工期，使儲罐修復后結構恢復、材料力學性能滿足設計要求，可有效執(zhí)行設計規(guī)定的功能和安全功能。

1 儲罐變形分析

1.1 目視情況

對輔助給水箱上部實施目視檢查發(fā)現(xiàn)：筒體上部發(fā)現(xiàn)5處機械變形區(qū)，其余區(qū)域未發(fā)現(xiàn)變形；上封頭有一處大面積機械變形，變形面積約占總面積的2/3；上封頭變形位置存在一條長350 mm、寬50 mm的裂紋。輔助給水箱整體變形呈不同程度凹癟狀，屬于薄壁容器因承受異常外部正壓載荷而發(fā)生屈曲變形的典型形貌特征；結合現(xiàn)場排水情況，判斷輔助給水箱屈曲變形的原因為呼吸閥所在位置進氣能力不足，在容器排水過程容器內(nèi)部負壓程度逐漸增加，當容器殼體承載達臨界載荷以上，發(fā)生彈塑性變形即屈曲變形。輔助給水箱屈曲變形形貌如圖1所示。

圖1 輔助給水箱屈曲變形形貌Fig.1 Buckling deformation morphology of auxiliary water supply tank

1.2 三維激光掃描情況

采用三維激光掃描對輔助給水箱頂封頭與筒體存在變形部分進行掃描，筒體及頂封頭掃描結果如圖2和圖3所示。由圖2可知筒體存在4處凹陷，以0°為起點順時針，第一至第四處凹陷最大深度分別為220 mm、162 mm、291 mm、272 mm。由圖3可知,以頂封頭邊界為坐標高程0點，測量出最高點的高程為1 104 mm，最低點的高程為-311 mm，變形后高差達1 415 mm。

圖2 筒體掃描云圖Fig.2 Scanning cloud image of cylinder

圖3 頂封頭掃描云圖Fig.3 Scanning cloud image of top head

2 儲罐修復技術實施

2.1 可行性論證

采用2ASG001BA儲罐同一供應商提供儲罐母材20HR鋼板進行模擬現(xiàn)場彎曲工況下的力學性能試驗。分別將母材彎曲30°、45°、60°和90°后展平后進行彎曲和拉伸試驗。實驗結果如表1和表2所示。根據(jù)實驗結果可知，20HR鋼板彎曲不同角度展平后，與材料原始狀態(tài)相比屈服強度和抗拉強度略有提升，斷后伸長率略有降低，但拉伸性能、彎曲性能和材料硬度仍符合標準要求；說明20HR鋼板彎曲不同角度經(jīng)局部機械矯形后，鋼板材料力學性能合格，滿足設計要求。

表1 母材力學性能試驗結果

表2 對接焊縫力學性能試驗結果

2.2 水、氣加壓整體矯形

整體矯形過程中充水水位高度10.5 m，頂部約剩余上部氣腔容積約100 m3。試驗氣源采用SAT檢修壓縮空氣，并用空氣減壓閥控制進氣壓力PT=0.016 MPa(設計壓力：P=0.013 MPa)。矯形過程中，矯形壓力0.016 MPa，升壓、降壓速率小于0.2 kPa/min，降壓至平臺設計壓力時(0.013 MPa)，保壓6.5 h。水、氣加壓整體矯形時間-壓力曲線見圖4。

圖4 水、氣加壓整體矯形時間-壓力曲線見Fig.4 Time-pressure curve of integral orthopedic correction with water and air pressure 注：紅色點為發(fā)生響聲時的時間和壓力。

2.3 局部機械矯形

水、氣加壓整體矯形后，對輔助給水箱筒體機械變形區(qū)及上封頭外部檢查，原筒體上部外表面5處機械變形區(qū)域恢復原狀。上封頭大面積機械變形區(qū)域基本恢復，未完全恢復的部位有3處，如圖5所示。

采用頂撐及頂撐后對面敲擊的方法，對3處需要矯形部位進行機械矯形。頂撐時采用加工頂撐底板及千斤頂導向筒，千斤頂通過頂撐模塊緩慢對局部變形區(qū)域進行矯形。機械矯形完成后對輔助給水箱筒體機械矯形區(qū)實施磁粉檢查、上封頭外表面磁粉檢查、筒體及上封頭母材外表面超聲檢驗，均未發(fā)現(xiàn)可記錄顯示。

2.4 局部更換

對于頂封頭存在裂紋，母材無法修復部位，采用預制鋼板局部更換處理。安裝前，對鋼板進行系統(tǒng)的化學清洗，脫脂、酸洗、鈍化、干燥等。在清洗過程中采用動態(tài)浸泡清洗，以縮短工期并達到良好的清洗效果。

清洗工藝：預沖洗→脫脂→水沖洗→酸洗→漂洗→鈍化→干燥。

圖5 水、氣加壓整體矯形后3處變形部位示意圖Fig.5 Schematic of three deformed parts after integral orthopedic correction with water and air pressure

3 檢驗

3.1 三維掃描

輔助給水箱修復后，對其頂封頭及筒體進行三維掃描分析發(fā)現(xiàn)，頂封頭最高點至最低點的高度為1 391 mm，符合輔助給水箱設計參數(shù)。同時，將掃描點云模型與設計模型(半徑為9 206 mm)進行比對，并通過色譜方式體現(xiàn)頂封頭的凹凸情況，如圖6所示。由圖6可知修復后的頂封頭相對于設計模型突出最高位置為32 mm，凹陷最大位置為37 mm，符合輔助給水箱設計參數(shù)。

圖6 頂封頭掃描點云與設計模型色譜比對圖Fig.6 Chromatographic comparison between top head scanning point cloud and design model

筒體修復后通過俯視掃描方式發(fā)現(xiàn)無明顯凹陷痕跡，如圖7所示。同時，將修復后的筒體點云模型與設計模型(直徑9 700 mm)進行比較，并通過色譜的方式標明筒體的凹凸情況，如圖8所示。由圖8可知，修復后的筒體相對于設計模型突出最高位置為20 mm，凹陷最大位置為30 mm，符合輔助給水箱設計參數(shù)。

圖7 筒體修復后過俯視掃描云圖Fig.7 Overlook scanning cloud image of cylinder after restoration

圖8 筒體掃描點云與設計模型色譜比對圖Fig.8 Chromatographic comparison between cylinder scanning point cloud and design model

3.2 水壓試驗

按照核電站水壓試驗要求，對修復后的輔助給水箱實施水壓試驗。試驗充水高度11.3 m，充水后采用氣體加壓至水壓試驗壓力16 kPa，環(huán)境溫度19.3 ℃，試驗用水溫20 ℃，試驗采用SER系統(tǒng)除鹽水，氣源采用RAZ系統(tǒng)氮氣。升壓、降壓速率不超過0.2 kPa/min，分別在設計壓力(13 kPa)及實驗壓力(16 kPa)時，停止升壓進行檢查，各平臺檢查確認無異常，滿足水壓試驗技術要求。壓力平臺曲線如圖9所示。

圖9 水壓試驗壓力平臺曲線Fig.9 Pressure platform curve of the hydraulic test

3.3 儲罐內(nèi)部清洗

水壓試驗合格后，對輔助給水箱內(nèi)部進行清潔，清洗過程包括：整體高壓水清洗和化學清洗?；瘜W沖洗采用噴淋清洗，噴淋清洗是一種循環(huán)化學清洗技術，在清洗過程中，將化學清洗溶液均勻噴灑到所要清洗的系統(tǒng)內(nèi)表面上，借助清洗液的重力而沿容器壁流到底部，使清洗液與容器內(nèi)壁上的銹、垢進行充分的接觸，發(fā)生化學反應達到清潔系統(tǒng)的要求。通過調(diào)整噴淋頭的轉(zhuǎn)速及位置，可以使清洗液均勻的噴到罐頂以及罐壁，保證整個內(nèi)表面清洗的潔凈度。清洗流程：建立清洗循環(huán)系統(tǒng)→ 泵站自清洗檢漏→系統(tǒng)水沖洗檢漏→堿洗脫脂除油→堿洗后水沖洗→酸洗→酸洗后水沖洗→漂洗→中和鈍化→人工清理檢查→干燥處理→驗收復位。輔助給水箱化學噴淋清洗如圖10所示。輔助給水箱內(nèi)部清洗后滿足RCCM《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》中F6000 的B 級清潔度要求。

圖10 輔助給水箱化學噴淋清洗示意圖Fig.10 Schematic of the chemical spray cleaning of the auxiliary water supply tank

4 結論

水、氣加壓整體矯形+局部機械矯形+缺陷嚴重部位局部更換修復技術在實施過程中采用了材料不同程度的屈曲恢復后的力學性能進行了技術論證；三維激光掃描；水、氣加壓整體矯形和箱體內(nèi)部整體沖洗和噴淋化學清洗鈍化技術，保證了輔助給水箱修復后結構恢復、局部機械矯形后鋼板材料力學性能滿足設計要求，可有效執(zhí)行設計規(guī)定的功能和安全功能。與傳統(tǒng)的割頂補焊修復方式相比，儲罐修復周期縮短1/3以上，降低了因大修周期延長而造成的經(jīng)濟損失。