核电厂蒸发器二次侧水压试验的工艺改进和装置研发

核电厂蒸发器二次侧水压试验的工艺改进和装置研发

刘伯欢程钢陆自立王昊穆宁波

(中广核核电运营有限公司)

摘要:本文介绍了压水堆核电厂蒸汽发生器（SG）二次侧水压试验的工艺改进和装置研发内容。通过历史大修SG二次侧水压试验方案、经验反馈和工期数据的研究及不间歇式加热理论计算分析，提出了2台SG联合试验和小循环加热SG等工艺改进方法，并成功应用于公司相关科研项目的工艺设计和装置研发中。

关键词:蒸汽发生器（SG）；水压试验；工艺改进；装置研发

蒸汽发生器（SG）二次侧水压试验是法国压水堆核岛机械设备在役检查规则（RSE-M）的法定项目，被列为压水堆核电厂大修次关键路径工作，属国家核安全局实施监督项，是评估主二回路承压和密封能力的重要试验。以中广核改进型三环路压水堆（CPR1000）机组SG为例，试验用于验证SG二次侧以及相连系统[包括主蒸汽系统(VVP)、主给水流量控制系统(ARE）、辅助给水系统(ASG）、化学试剂注射系统(SIR）、SG排污系统(APG）]等管线，在试验压力为102bar（1bar=105Pa，表压，下同）、金属温度为35～60℃下的系统承压能力和边界密封性能，表明在本次试验结束到下次试验实施之前的这段时间里SG二次侧承压边界在正常运行和设计的事故工况下是安全的，是满足核安全法规的[1]。

历史核电大修数据显示目前SG二次侧水压试验的现状是3台SG逐台试验，在役试验工期约7～10d，工期冗长或滞后会给试验的质量和安全要求带来影响，本文通过对这一问题进行分析，提出SG二次侧水压试验的工艺改进方法并进行装置研发以提升整体试验效率，为避免路径工作变化带来的工期压力影响项目安全和质量要求。

1历史试验工艺

SG二次侧水压试验主要包括加热、充水和升降压三个主要工序，同时在试验过程中进行SG金属温度测量、管板密封焊视频监视和总泄漏率计算，以确保设备材料性能、承压能力和边界密封性能均满足技术要求，以下以SG1（1号SG）的水压试验实施过程进行描述，试验原理图如下图1。

图1历史SG二次侧水压试验原理图

1.1试验准备

（1）安装温度测量部件。一次侧两个水室分别距离隔板和筒体200mm范围[2]内管板上安装温度探头T1和T2，二次侧手孔和人孔分别安装温度探头T3和T4，用于监测SG金属温度。

（2）准备视频监视设备。一次侧两个水室外准备视频摄像设备，用于在设计压力和试验压力平台保压时监视管板密封焊是否有泄漏情况。

（3）布置充水加热打压装置，完成试验装置机电仪联合调试。

（4）锁定核岛RX厂房(反应堆厂房)内VVP系统主蒸汽管线的恒力吊架和弹簧支撑，避免管道满水时支架过载。

（5）安装试验用仪表和临时设施。

1.2加热过程：

首先将ASG001BA的水加热至55℃以上，然后注入加热器水箱并启动加热器开始加热至（88±1）℃，接着利用充水泵将88℃左右的热水充入SG1二次侧进行SG管板和筒体预热。持续将ASG001BA水箱的水注入至加热器进行加热并充入SG1二次侧，并通过APG系统进行排水保持管板以上水位高度为（1±0.1）m，水位高度由临时ARE水位计监测，反复充加热器热好的88℃左右热水和排经热传递冷却的SG1二次侧水约20次左右，直至管板温度上升至43℃以上，且手眼孔温度均高于43℃。

1.3充水排气：

将ASG001BA水箱55℃左右的水直接用85m³/h的充水泵经ASG024VD注入SG1二次侧，用ARE临时液位计监视水位上升，注水同时用SIR系统注入化学保养药剂，经过阀门VVP174VV，GCT128/130VV和VVP601VV进行充水排气，当临时液位计水位超过GCT128/130VV时可切换至补水泵（15m³/h）进行充水排气，完成后在VVP174VV下游的法兰处安装安全阀。

1.4升压准备：

再次核实水压试验边界，确认ARE/ASG/REN/APG系统双重隔离，VVP/SIR系统单道隔离，查漏管线和通道通畅，检查试验边界内的VVP/ARE/ASG系统仪表二次阀关闭，仪表退出运行。

1.5加压过程：

（1）启动流量为6m³/h试验泵，将SG1二次侧压力升至3bar。

（2）若泄漏率可接受继续按照＜4bar/min的升压速率将试验压力升至72bar，通知机械进行安全阀锁定，完成后继续升压至设计压力85bar，保压至少30min，进行泄漏率计算和边界检查。

（3）若检查合格继续升压至试验压力102bar，保压至少1H，执行泄漏率计算和边界检查。

泄漏率计算和相关检查工作如下：①SG1本体目视检查确认未变形和焊缝无渗漏；②人孔、手孔和眼孔法兰密封面目视检查完成确认无渗漏；③SG1一次侧冷热水室管板和U型管束密封焊无渗漏，利用操作摄像设备进出一次侧水室对管板密封焊缝进行检查；④检查试验边界内阀门和管道无渗漏；⑤执行泄漏率计算＜230L/h（RSE-M规范值）[3]；⑥SG金属温度高于35℃。

1.6泄压排水：

检查完成后，打开泄压阀降压，降压速率＜4bar/min，并在压力为85bar和72bar平台进行边界相关检查和安全阀解除锁定，然后缓慢降压至大气压。打开SG顶部排气阀，通过APG排污管线排水至化学保养液位，后续进行系统恢复。

2工艺改进分析

根据历史大修的试验总结和工期数据分析，作为次关键路径的SG水压试验工作因在役维修影响而排上关键路径的可能性相当高，因此对当前试验工艺进行改进，获得更大的工期和安全裕度尤为必要。列举大亚湾核电基地的2个机组大修SG二次侧水压试验的工序工期统计数据见表1。

由表1可知：

（1）加热时间占用了加热充水打压三项主要工序近2/3的时间，若遇到加热温度达到技术要求后因射线工作人员清场影响不能进行充水和升压工作，加热时间将进一步延长，

（2）一台机组3个SG试验基本是串行或间隔进行，偶尔因试验困难导致2台SG部分工序重叠进行，但由于旧试验装置的工艺限制无法做到并行实施。

因此试验工艺的主要改进方向是SG本体加热工艺改进和2台SG联合试验技术研究。

2.1SG加热工艺改进

2.1.1充排式加热数据研究

经过项目多次实施的数据统计发现，每台SG进行原方案的充排（间歇式）式加热平均约20次，每次约36min，加热器累计加热时间约12h，但是表1显示每台SG的平均加热工期为22.75h，即在每台SG二次侧水压试验的充排加热过程中加热器有近10h属于待工状态，仅12h为有效加热时间。且充排加热方式使大量的热水直接通过APG管线排掉造成热量浪费，因此考虑循环式即不间歇式加热和2台同时加热等能够有效利用加热器的功率。

2.1.2循环式加热工艺计算

根据充排加热经验建立循环加热模型如下：加热前从ASG001BA取50℃左右的水，分别充入SG二次侧20m³、加热水箱8m³和循环管道2m³，合计30m³水通过循环系统和加热器进行循环加热，使SG管板温度由20℃加热至45℃，加热过程中循环水温度不超过90℃。

水压试验装置加热器的功率P=400kW（加热器总功率为600kW，200kW备用）理论上主要用于加热循环水，一方面用于抵消SG温度上升吸引水的热量，一方面用于循环水的升温。包括：

（1）补偿循环水热对流损失，贯穿整台SG的金属加热过程，持续至管板金属温度满足试验要求；

（2）加热循环水至约90℃，加热过程前期该部分功率满功率运行，后期水温达到后降功率或为0。

（以CPR1000机组为例，SG和热力学相关参数见表2。

分析SG的结构可发现管板最厚，其加热难度最大，因此若管板温度达到试验要求则SG其他部位温度满足要求，以下工艺计算以管板温度和加热时间进行分析。

首先定义补偿循环水热对流损失功率为P1，加热循环水至目标温度功率为P2。其中P1=S换×K×△T，P2=400-P1，△T为循环水温度与SG金属温度的差值，此值为变化值，保守假定按△T=40℃进行计算，则：P1=40.73×40×40≈65kW，P2=335kW。

其次进行管板升温速度计算如下[5]：

故有：

最后进行管板升温时间计算分析管板任意小的dT温度段所需加热时间。

进行积分可得:

将单台SG二次侧水压试验的加热过程分为以下三个阶段进行计算：

加热过程中循环水水温会上升，考虑到热量损失接触管板的循环水水温略有降低且便于计算，每个阶段的循环水温取该阶段的初始水温做保守计算。

（1）SG加热第一阶段（管板温度从20℃升到25℃）

初始水温为50℃，保守假设循环水的温度为恒温T水=74℃，管板温度从20℃升到25℃所需时间：

计算得第一阶段加热时间t1=2.5h。

第一阶段循环水温度将增加=24.1≈24℃，理论循环水温T水达到50+24=74℃，SG管板温度达到25℃。

（2）SG加热第二阶段（管板温度25℃升到30℃）

保守假设该阶段循环水的温度为恒温T水=74℃，管板温度从25℃升到30℃所需时间：

计算得第二阶段加热时间t2=1.46h。

第二阶段循环水温度将增加=14.07≈14℃，理论循环水温T水达到74+14=88℃，SG管板温度达到30℃。

（3）管板加热第三阶段（管板温度30℃升到45℃）

保守假设该阶段循环水的温度为恒温T水=88℃，管板温度从30℃升到45℃所需时间：

计算得第三阶段加热时间t3=4.09=4.09h。

第三阶段循环水温度将88～90℃之间，理论上加热器功率降低至65kW运行，不需要额外再加热循环水温，可根据水温监测状况将功率调整至65至100kW期间进行加热。

即经历以上3个阶段的循环式加热，合计经历时间t=t1+t2+t3=8.05h的加热时间后将达到试验要求的金属温度值。

2.1.3工艺改进分析小结

综合历史大修充排加热有效时间数据统计（12h）和循环式加热工艺计算分析结论(8.05h)得知SG加热工艺改进方向可行，即可采用循环加热工艺方式进行SG二次侧水压试验的加热环节，单台SG的理论加热时间取历史大修数据统计和理论计算分析两者的平均值10h做为加热工艺改进目标。

2.22台SG联合试验

分析表1的数据得知，若2台SG同时进行试验，即同步进行加热、充水和升降压过程，试验工期将节约1.5d。

由于SG二次侧水压试验的前提是试验边界维修工作和SG二次侧完整在役检查工作完成，这是RSE-M规范要求也是确保试验一次保质量保安全成功的必要手段。理想状态可计划一台SG先进行水压试验，另外两台SG同步进行在役检查和边界维修，达到后续两台SG具备同步试验的条件。但实际会因现场工作的进展使两台SG重叠交叉试验。

为了兼容现场维修和在役检查工作的进展变化，试验工艺设计应涵盖两台SG独立进行水压试验，即可以单独进行水压试验，也可两台同步或交叉试验。

2.3视频摄像监视改进

在升降压过程中，需要人员在设计压力和试验压力平台进出SG一次侧，进行管板密封焊的摄像检查，内污染和高辐照风险较大。以及全程需要人员在SG顶部压力表安装处监视试验压力，容易造成人员疲劳和误操作，高空作业风险大。

针对以上风险，可考虑制作两台管板密封焊视频监视设备在SG试验前安装在一次侧两个水室底部，以及制作一台带摄像头的试验压力监视装置安装在SG顶部，以实现全过程远程监视管板密封性和SG试验压力。

3试验装置研发

根据中广核多基地大修规划预计未来10年SG二次侧水压试验项目达40余次，机组类型包括M310（二代压水堆核电技术）/CPR1000/EPR（欧洲压水堆）和华龙一号机组，试验装置匮乏和工艺兼容性不够是目前存在的客观问题，因此需开展SG二次侧水压试验联合装置研发工作，设计和制造一套含充水加热打压装置、金属温度测量装置和视频监视装置的SG二次侧水压试验联合装置，实现装置性能兼容适应多类型机组，试验方式兼顾智能和手工控制，高辐照区远程视频监视和温度探头远程安装等.

3.1充水加热打压装置

随着三代核电机组的建设施工和远期运营，在役检查规范根据历史经验进行了更新升版，2010版RSE-M规范规定SG二次侧水压试验的泄漏验收准则为：单台设备试验总泄漏率：230l/h或两台设备组合的试验总泄漏率：每台230l/h。目前中广核集团旗下主流的压水堆核电机组为三环路的CPR1000机组，即有三台SG，两台SG联合试验虽然在国内外暂无实施先例，但在规范角度是有依据的，尤其是在具有四环路的EPR机组SG二次侧水压试验项目中实施两台联合试验，具有可观的工期效益。

本文第2节分析加热工艺需实现不间歇式加热，即循环加热才能有效提高加热器等的利用效率，研究CPR1000机组SG二次侧系统特点，发现可使用ASG系统管线作为试验装置充水和加热的进口管线，APG系统管线可作为加热返回管线，通过临时软管穿过RX贯穿件PN406及EPP223与试验装置相连接。

根据两台SG同时试验以及实施循环加热的需求对充水当量、加热效率和打压功率指标进行计算，最终选型合适的充水泵组、加热器、打压泵组和电气仪控设备。

另为保证联合装置能覆盖兼容M310/CPR1000/EPR和华龙一号机组，需根据不同机组的系统接口尺寸设计匹配的临时特殊装置(TSD）组件。

根据以上设计优化考虑主要技术改进兼容了传统的间歇式加热（充排加热）和优化的非间歇式加热（循环加热），且能满足两台SG同时或交叉水压试验，以应对核电厂机组大修的在役检查和维修工作状况的变化。

3.2金属温度测量装置

金属温度是SG二次侧水压试验的一个关键技术要求，为保留预防脆性断裂的足够裕度，试验所用水温至少应等于如下值的最大值：①首次水压试验规定的水温；②构成二次侧材料的最高RTNDT（一般是管板的），加上30°C.

RTNDT表示材料的转变温度，随服役时间和服役条件譬如辐照影响而发生变化。RSE-M规范要求使用SG金属温度Tsg来表征对试验温度的要求，根据监测和试验数据服役10a以内的CPR1000机组的SG二次侧水压试验金属温度Tsg要求是：35℃≤TSG≤60℃。35℃下限保证SG在承受试验压力时距离发生脆性断裂仍旧有足够的裕度，而上限温度60℃为保证人员试验进行边界检查的安全温度。

CPR1000机组的单台SG进行水压试验时TSG一般需要测量手孔、二次侧人孔和2个一次侧水室管板的温度，尤其以管板温度作为TSG的监控根据，因此一次侧水室管板处温度测量工作是工作重点也是难点。历史工作反馈有管板处温度探头拆装剂量高、内污染风险大和温度探头安装不牢固，测量过程中易脱落等问题，需设计制造新型温度测量装置。因此温度探头安装装置采用气爪吸附、插销定位和弹簧压紧等方式对温度测量单元进行了改良，保证了一次侧水室作业的效率和质量，满足受辐照压力容器水压试验时对脆性转变温度的监控要求。

3.3视频监视装置

由于传热管束是SG二次侧最薄弱的部件，在SG二次侧水压试验期间监测传热管束密封焊的泄露情况是试验的强制要求，以往试验期间需要在不同压力平台多次进出SG一次侧水室操作视频小车监视管板焊缝密封性，作业时间长导致辐照和内污染风险高，因此有必要在SG一次侧水室布置全景抗辐照摄像头并配置视频传输单元实现检查人员的远程监视。

国内外标准和在役检查规范规定水压试验时需通过监视机械压力表的读数来验证满足试验要求，而进行SG二次侧水压试验需要爬到SG顶部进行机械式压力表读数，监测时间长达4h及以上，高空和疲劳作业风险较高，因此可考虑设计机械压力表和视频监视一体的装置，将机械表读数实时传递给试验负责人。

根据以上需求可设计视频监视装置，在SG进行水压试验时远程监控一次侧水室管板焊缝密封性和顶部压力，节省人力资源和集体剂量。

3.4联合装置的技术指标

综合以上3个子装置的特点和功能分析，联合装置的性能参数和技术指标如下：

1)打压试验装置能够同时或分别对两台SG进行管板预热、充水和打压；

2)加热水箱电功率不超过600kW，满足大修上游电气开关负荷；

3)加压管线可承受20MPa压力和120℃温度，充水及循环加热管线可承受2MPa压力和120℃温度；

4)通过加热器功率控制，可使试验温度最大升温速率不超过14℃/h，最大降温速率不超过-2℃/h；

5)通过打压泵的电机频率控制，可使SG压力平台控制精度达到1%，系统在整个试验过程升压和降压的最大梯度不大于4bar/min，保证升降压过程平稳、安全；

6)装置的压力、温度、液位、流量等参数测量精度达到0.5级；并能实时检测试验过程中SG的泄漏量。

7)完成一台M310/CPR1000型SG管板预热时间10h左右（EPR型SG管板预热时间16h左右）、充水时间3h左右、升降压试验时间8h左右；

8)能够通过管板循环加热方式将管板加热至43～45℃左右，并在循环加热过程中保持流量平衡；

工艺草图见下图2。

图2SG二次侧水压试验联合装置工艺草图

3.5联合装置研发优势

相对传统试验工艺，联合装置研发的优势主要体现在自动化水平高，监测质量好，试验效率高、智能化程度高和兼容性强等方面，具体体现在：

（1）升压前可随时启动加热系统进行循环加热，使SG金属温度满足规范要求。避免因边界泄露或故障排查等临时性维修导致满水SG的金属温度降低后需要排水重新加热。

（2）可远程安装温度测量探头和监视系统压力及边界密封性，减少集体剂量。

（3）可实现两台SG同时进行加热、充水和升降压操作，或交替进行相应水压试验工序操作。

（4）可实现水压试验加热、充水和升降压操作的自动控制，避免超温和超压操作。

（5）可实时测量和计算SG二次侧水压试验的总泄漏率；

（6）可兼容应用于各种类型压水堆核电站SG二次侧水压试验中。

4结束语

本文通过对SG二次侧水压试验的历史工艺和工期数据的分析，提出了SG二次侧水压试验的工艺改进方向，并简要论证了新工艺的应用在SG二次侧水压试验的工期节约、辐射防护和安全控制方面有着重要的意义。

参考文献:

[1]杨炜．蒸汽发生器二次侧水压试验[J]．大亚湾核电，2001（2）：22-24．

[2]付平，胡培峰，聂学青，等．大亚湾核电蒸汽发生器二次侧在役水压试验[J].东方电气评论，2003，17（1）：34-36.

[3]法国压水堆核电厂核岛机械设备在役检查规则：RSE-M[S].FRANCE：AFCEN，1997（B）14-15.

[4]蒸发器总图：PYX4430S000ENPF44DD[Z].A版.阳江核电有限公司，2009：1．

[5]李岳林．工程热力学与传热学[M]．北京：人民交通出版社，2007：150-151．