熊前山，劉一博，賀小明，張高劍，陶子航，秦 驥

(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223;2.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北 武漢 430223)

核電站運(yùn)行過程中，蒸汽發(fā)生器(SG)一回路的熱量傳遞給二回路工質(zhì)使之產(chǎn)生滿足要求的蒸汽。與此同時(shí)，二回路系統(tǒng)水介質(zhì)中有固態(tài)的腐蝕產(chǎn)物雜質(zhì)和離子(如Cl-，SO42-,Ca2+,Mg2+,Al3+等)，隨介質(zhì)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)后，經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮匯聚沉積在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板表面、流量分配板和支撐板表面以及傳熱管外表面等位置[1]。隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增加，泥渣沉積可能導(dǎo)致管材腐蝕，蒸汽壓力下降，梅花孔堵塞與水位不穩(wěn)等問題，影響蒸汽發(fā)生器安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

為較好地解決泥渣沉積的問題，需要定期進(jìn)行泥渣沖洗。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泥渣沖洗技術(shù)是利用高壓水射流將管束內(nèi)的沉積物打碎并沖至外環(huán)廊，通過環(huán)流驅(qū)趕到抽吸系統(tǒng)的吸入口，將其吸出，以達(dá)到去除蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上沉積物的目的[2]。

隨著清洗技術(shù)的發(fā)展或原有清洗技術(shù)使用環(huán)境發(fā)生變化，新的清洗技術(shù)不斷被開發(fā)出來。根據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于蒸汽發(fā)生器沖洗工作的要求，新開發(fā)的清洗技術(shù)或已有技術(shù)的使用環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)用前應(yīng)開展安全性試驗(yàn)和清洗效果試驗(yàn)[3]。本文介紹了針對(duì)新研制的導(dǎo)軌式泥渣沖洗槍的安全性和功能性試驗(yàn)驗(yàn)證的情況。

由于國(guó)內(nèi)蒸汽發(fā)生器類型眾多，本試驗(yàn)以M310機(jī)組的55/19B型蒸汽發(fā)生器為例進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)其他立式蒸汽發(fā)生器的主要參數(shù)均與之近似，本試驗(yàn)同樣具有參考意義。

1 安全性試驗(yàn)

在正常水力沖洗過程中，高壓水射流正對(duì)傳熱管管間進(jìn)行泥渣沖洗工作，在槍體步進(jìn)過程中高壓泵泄壓，無水射流射出，因此在泥渣沖洗全程高壓水射流均不會(huì)正對(duì)傳熱管進(jìn)行沖洗?？紤]多重失效疊加的極端情況下，水射流存在沖射傳熱管管壁的可能性。由于傳熱管是核電廠一、二回路的壓力邊界，因此必須驗(yàn)證高壓水射流正對(duì)傳熱管沖洗的極端情況下的安全性。

1.1 試驗(yàn)方案分析

1.1.1 沖洗時(shí)間分析

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水力沖洗的最大時(shí)間H小時(shí)，其中共需步進(jìn)的管間數(shù)m排，沖洗槍的噴嘴數(shù)n排，每排管間槍體從冷側(cè)外環(huán)廊擺動(dòng)至熱側(cè)外環(huán)廊的擺動(dòng)角度D，水射流至中心管廊兩側(cè)第一排管間的散射角d。

考慮到管板中心區(qū)域可能比兩側(cè)區(qū)域沖洗時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)考慮較大的安全裕量，本次安全性試驗(yàn)正對(duì)傳熱管沖洗的時(shí)間定為30 min，其中每10 min測(cè)量并記錄一次。

1.1.2 對(duì)沖壓力分析

在使用剛性沖洗槍進(jìn)行泥渣沖洗時(shí)，沖洗壓力一般為8 MPa至20 MPa，因此本試驗(yàn)選用上限值20 MPa進(jìn)行測(cè)試。

1.1.3 模擬傳熱管分析

蒸汽發(fā)生器的傳熱管為經(jīng)過特殊熱處理的Inconel-690管材，管材外徑為19 mm，厚度為1 mm?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，本次試驗(yàn)中傳熱管采用304不銹鋼材質(zhì)，該材質(zhì)的硬度和實(shí)際傳熱管較為接近，加工外徑及厚度與實(shí)際傳熱管的尺寸相同。

1.2 試驗(yàn)步驟

蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗的安全性試驗(yàn)步驟如下：

1)將導(dǎo)軌安裝在SG模擬體流量分配板上，并完成對(duì)心操作；

2)按照正確的順序連接管線；

3)檢查氣缸及電機(jī)動(dòng)作是否正常；

4)調(diào)整位置，使水射流對(duì)準(zhǔn)傳熱管，如圖1所示；

5)沖洗開始前對(duì)水射流正對(duì)的傳熱管區(qū)域測(cè)量直徑，并在傳熱管上標(biāo)記測(cè)量位置，同時(shí)對(duì)測(cè)量區(qū)域的表面狀況進(jìn)行目視檢查；

6)微調(diào)槍體，使水射流正對(duì)傳熱管上標(biāo)記的位置(見圖1)；

7)緩慢升壓至20 MPa，槍體不擺動(dòng)，使高壓水射流正對(duì)傳熱管持續(xù)沖洗，如圖2所示；

8)在升壓前及升壓后每隔10 min泄壓、停泵一次，對(duì)n排傳熱管的標(biāo)記位置測(cè)量直徑，同時(shí)目視檢查對(duì)沖區(qū)域及附近的表面狀況；

9)拆除設(shè)備，清理現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 水射流正對(duì)傳熱管Fig.1 Jet water sprayed onto the heat exchanger tube

圖2 壓力達(dá)到20 MPa時(shí)對(duì)沖效果Fig.2 Hedging effect when the pressure reaches 20 MPa

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

導(dǎo)軌式泥渣槍沖洗安全性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。

通過沖洗前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳熱管直徑未發(fā)生可測(cè)量變化，傳熱管未觀測(cè)到形變。水射流對(duì)沖區(qū)域傳熱管表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹陷等現(xiàn)象，但水射流對(duì)沖區(qū)域較其他區(qū)域更為光亮，如圖3所示。

表1 安全性試驗(yàn)記錄表

圖3 經(jīng)過30 min對(duì)沖后，對(duì)沖點(diǎn)更為光亮Fig.3 The opposite flushing point is smootherand more shining after flushing for 30 min

2 有效性試驗(yàn)

本試驗(yàn)用于測(cè)試水力沖洗設(shè)備是否能對(duì)管板上的泥渣進(jìn)行有效的清除。

2.1 試驗(yàn)方案分析

2.1.1 模擬泥渣分析

模擬泥渣采用四氧化三鐵粉末、水泥、細(xì)沙和水按照一定的體積比例混合，混合后的泥渣均勻涂抹于模擬體冷熱側(cè)各5×5的管間區(qū)域內(nèi)(在模擬體上可涂抹多個(gè)5×5的管間區(qū)域，用于不同參數(shù)的試驗(yàn))，涂抹完成后讓其自然干燥，即完成模擬泥渣的放置。

2.1.2 沖洗壓力分析

本次導(dǎo)軌槍試驗(yàn)壓力按照設(shè)計(jì)沖洗壓力15 MPa進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.3 沖洗時(shí)間分析

本套導(dǎo)軌槍在自動(dòng)沖洗模式下每擺用時(shí)40 s，槍體共需步進(jìn)104步，因此每一步擺動(dòng)一擺共需用時(shí)69.3 min，按照沖洗程序中總時(shí)間26 h計(jì)算，每一步應(yīng)沖洗14.7 min。由于槍體有4排噴嘴，因此每排管間實(shí)際接收水射流清洗的時(shí)間應(yīng)乘以4。本次試驗(yàn)中沖洗1臺(tái)蒸汽發(fā)生器用時(shí)的對(duì)照表2如所示。

表2 沖洗一臺(tái)蒸汽發(fā)生器用時(shí)對(duì)照表Table 2 Time table for the sludge lancing ofsteam generator secondary side

2.2 試驗(yàn)步驟

蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗的有效性試驗(yàn)步驟如下：

1)在蒸汽發(fā)生器模擬體上涂抹模擬泥渣，并讓其自然干燥；

2)在沖洗工作開始前對(duì)泥渣區(qū)域進(jìn)行視頻檢查并錄像，如圖4所示；

3)進(jìn)行槍體的安裝，檢查連接處是否可靠、有無漏水現(xiàn)象，若有問題及時(shí)排除；

4)緩慢升壓至15 MPa，操作槍體步進(jìn)，使水射流對(duì)準(zhǔn)涂抹泥渣的四排傳熱管管間，沖洗37.3 min，如圖5所示；

5)槍體擺動(dòng)結(jié)束后，對(duì)沖洗后的管間區(qū)域進(jìn)行視頻檢查，觀察管板清潔度狀況，如圖6所示；

6)將沖洗時(shí)間分別改為48 min和58.7 min，再次試驗(yàn)(為簡(jiǎn)化步驟，也可在原涂抹泥渣管間通過增加擺數(shù)實(shí)現(xiàn)該步驟)；

7)拆除設(shè)備，清理現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 沖洗前管間泥渣分布狀態(tài)Fig.4 Distribution of sludge betweentubes before flushing

圖5 15 MPa壓力下的泥渣沖洗Fig.5 Sludge flushing under 15 MPa pressure

圖6 沖洗后管間泥渣已沖洗干凈Fig.6 The mud between tubes has beenrinsed clean after flushing

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

導(dǎo)軌式泥渣槍沖洗有效性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄在表3中。

表3 功能性試驗(yàn)記錄表

對(duì)于模擬試驗(yàn)?zāi)嘣?，平行于射流的管間方向，設(shè)定的沖洗時(shí)間均可將泥渣沖洗干凈。垂直于射流的管間方向，由于為沖洗的陰影區(qū)域，沖洗58.7 min后仍有少量模擬泥渣未被沖走。

在蒸汽發(fā)生器模擬體上試驗(yàn)過程中，涂了模擬泥渣的一邊在試驗(yàn)結(jié)束后，模擬體的油漆被部分沖掉，露出光亮的金屬基體，而在未涂泥渣的另一邊，管板底部的油漆涂層完整，分析認(rèn)為，模擬泥渣在被高壓水射流破碎沖出模擬體的過程中，攜帶的細(xì)小磨削對(duì)管板底部油漆涂層不斷切削摩擦，造成油漆涂層破壞，從而呈現(xiàn)出光亮的金屬基體，這也驗(yàn)證了水射流中關(guān)于“磨料流”的相關(guān)理論分析，如圖7所示。

圖7 沖洗后的管間區(qū)域外觀形態(tài)Fig.7 Appearance of the zone between tubes after flushing

3 總結(jié)與展望

本文蒸汽發(fā)生器泥渣沖洗工藝的安全性和有效性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)證明本次研制的導(dǎo)軌式?jīng)_洗槍在20 MPa的沖洗壓力下對(duì)蒸汽發(fā)生器特別是傳熱管是安全的，即使的在極端情況下也不會(huì)造成傳熱管的損傷。該套設(shè)備在15 MPa的沖洗工作壓力下可以有效的清除管板上沉積的泥渣，但對(duì)于垂直中心管廊的陰影區(qū)域的泥渣清洗效果不理想，需要輔助使用眼孔沖洗槍或柔性沖洗槍達(dá)到更好的沖洗效果。

我國(guó)核電事業(yè)正處在蓬勃發(fā)展期，新的蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)和新的清洗工藝不斷被開發(fā)出來。新工藝在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前必須進(jìn)行安全性和有效性的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過文本所介紹的工作，可以為后續(xù)相關(guān)驗(yàn)證工作提供有益的參考。