余小權(quán) 賴(lài)建永 張玉龍 任 云 劉 航

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

“死管段”是指那些與一回路相連但在機(jī)組正常運(yùn)行情況下其內(nèi)部流體不流動(dòng)的管段。當(dāng)一回路升溫升壓或升功率運(yùn)行過(guò)程中，這些管道內(nèi)的靜止流體被一回路加熱產(chǎn)生熱分層或汽化，并最終導(dǎo)致管道內(nèi)壁和閥門(mén)部件腐蝕。

M310機(jī)組[1]余排進(jìn)口管道就屬于“死管段”之一。該現(xiàn)象已經(jīng)多次導(dǎo)致法國(guó)核電站以及大亞灣和嶺澳一期核電站的這些閥門(mén)閥座產(chǎn)生腐蝕，并影響了這些閥門(mén)的密封性，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

正常余熱排出系統(tǒng)（RRA）進(jìn)口死管段內(nèi)發(fā)現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題是由持續(xù)不斷的熱工水力現(xiàn)象引起的，這些熱工水力現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：

（1）死管段內(nèi)頂部和底部之間存在熱分層，當(dāng)這種熱分層不穩(wěn)定時(shí)更為有害。根據(jù)1994年EDF在BLAYAIS1機(jī)組上的測(cè)量，這種溫差達(dá)到56°C。

（2）一回路通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）閥門(mén)不斷給“死管段”內(nèi)靜止液體加熱，如果溫度達(dá)到管道內(nèi)部的壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，就會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)形成水/汽兩相。當(dāng)管道內(nèi)排氣不充分而存在空氣時(shí)更會(huì)加速腐蝕的產(chǎn)生。試驗(yàn)證明，RRA入口一次隔離閥上游的溫度幾乎與一回路的溫度相同，達(dá)到290~323°C，一次隔離閥下游的溫度最高可以達(dá)到230°C左右。

死管段內(nèi)部水汽兩相的存在會(huì)產(chǎn)生如下潛在后果：有害雜質(zhì)離子會(huì)在水汽兩相分界面上聚集且濃度遠(yuǎn)高于其他部位，這樣會(huì)對(duì)死管段內(nèi)部和閥門(mén)內(nèi)部部件（如閘板、閥座等）表面形成腐蝕，并最終導(dǎo)致管道內(nèi)壁和/或閥門(mén)部件的腐蝕減薄或裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響閥門(mén)的密封性。

死管段汽/液界面腐蝕強(qiáng)化現(xiàn)象是由于復(fù)雜而持續(xù)的熱工水力現(xiàn)象引起的。一回路的高溫流體通過(guò)閥門(mén)和管道將熱量傳遞給死管段內(nèi)的靜止流體，根據(jù)EDF1994年在BLAYAIS1號(hào)機(jī)組測(cè)得的數(shù)據(jù)，靠近一回路側(cè)的溫度高達(dá)292°C。由于死管段中壓力較低（下游閥桿、閥板等部位輕微泄漏），高溫將導(dǎo)致死管段流體部分汽化，形成汽液兩相共存現(xiàn)象。流體里的有害雜質(zhì)、離子會(huì)在汽水分界面聚集，導(dǎo)致產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，極大地強(qiáng)化了腐蝕過(guò)程。此外，高溫條件本身也會(huì)強(qiáng)化腐蝕過(guò)程。

另外，死管段內(nèi)還可能存在一定的氧化環(huán)境條件。RRA閥門(mén)上部有一個(gè)腔室，在機(jī)組動(dòng)態(tài)排氣期間，微氣泡可能被裹挾進(jìn)RRA系統(tǒng)并在閥門(mén)上部腔室聚集。這部分氣體為高壓高氧狀態(tài)，當(dāng)死管段壓力降低或溫度升高后，這部分氣體蒸汽份額會(huì)增加，體積會(huì)顯著膨脹并進(jìn)入死管段，從而對(duì)本已存在的腐蝕過(guò)程起著推波助瀾的作用。

總之，RRA死管段嚴(yán)重腐蝕問(wèn)題是在多種腐蝕強(qiáng)化機(jī)制的共同作用下造成的，包括：高溫，汽液兩相共存，水質(zhì)條件，可能的高氧化環(huán)境，等等。其中，法國(guó)電站曾經(jīng)試圖通過(guò)更充分的排氣手段來(lái)消除死管段現(xiàn)象已經(jīng)宣告失敗，而死管段內(nèi)的流體與一回路冷卻劑化學(xué)成分相同，完全消除其中的有害雜質(zhì)也不可能做到。所以，解決死管段現(xiàn)象最有效、最根本的辦法就是設(shè)法避免死管段內(nèi)產(chǎn)生水汽兩相狀態(tài)。當(dāng)然，如果能夠研制出一種在死管段條件下抗腐蝕的新型材料，也是一種解決之道，不過(guò)就目前國(guó)內(nèi)外情況來(lái)看，這種可能性較小。

基于以上兩種工況，對(duì)力容器安注接管嘴及壓力容器內(nèi)壁面的溫度分布開(kāi)展仿真研究。

1 方案研究

海南3、4號(hào)機(jī)組余排入口處及第一道隔離閥前后的布置方案與福清5、6號(hào)機(jī)組發(fā)生了明顯變化：余排系統(tǒng)的兩個(gè)系列分別從主系統(tǒng)的2號(hào)環(huán)路和3號(hào)環(huán)路熱段引出，確保了余排系統(tǒng)兩個(gè)系列的完全獨(dú)立，余排吸入口管道布置如圖4所示，同樣并聯(lián)有止回閥，避免出現(xiàn)“死管道”汽化現(xiàn)象。兩列余排的布置差異較大，其主要布置參數(shù)如下：

（1）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）2#環(huán)路，RCS0040管道參數(shù)：

①第一道隔離閥前管道長(zhǎng)度17.0m，降低了運(yùn)行期間第一道閥前的溫度；

②兩隔離閥之間長(zhǎng)度增加到10m以上，大幅改善死管道內(nèi)流體的換熱。

（2）RCS系統(tǒng)3#環(huán)路RCS0083管道參數(shù)：

①第一道隔離閥前管道長(zhǎng)度5.8m，降低了運(yùn)行期間第一道閥前的溫度；

②兩隔離閥之間長(zhǎng)度增加到10m以上，大幅改善死管道內(nèi)流體的換熱。

由于兩列余排管道布置差異性較大，因此本文將針對(duì)采取該布置方案的余排入口管道內(nèi)介質(zhì)的溫度分布進(jìn)行計(jì)算，判斷死管段內(nèi)介質(zhì)的最高溫度能否低于正常運(yùn)行期間對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

2 基本假設(shè)

本計(jì)算采取了以下假設(shè)：

在計(jì)算中，將隔離閥閥瓣等效成一塊厚度為80mm的金屬板；

由于不考慮第一道隔離閥下游介質(zhì)的流動(dòng)，為簡(jiǎn)化建模過(guò)程，在計(jì)算模型中假設(shè)第一道隔離閥下游管道沿直線水平布置；

假設(shè)主管道和余排管道表面散熱系數(shù)一致；

正常工況下安全殼內(nèi)最高環(huán)境溫度55°C，計(jì)算時(shí)環(huán)境溫度保守取值60°C；

假設(shè)各流體區(qū)域壓力恒定：第一道隔離閥前壓力為15.5MPaa，死管段內(nèi)壓力為3MPaa（啟堆階段，正常余排在系統(tǒng)壓力為3MPaa后被隔離），第二道閥后為0.1MPaa；

不考慮閥門(mén)的泄漏。

3 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際布置情況和假設(shè)條件，用于計(jì)算的部分主管道熱段和余排吸入口管道的物理模型如圖1和圖2所示。由于兩列余排管道布置的差異性，因此本報(bào)告將對(duì)RCS0040管道和RCS0083管道分別進(jìn)行計(jì)算。本計(jì)算部分計(jì)算輸入和邊界條件見(jiàn)表1所示。本文利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件FloEFD計(jì)算。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為30萬(wàn)。湍流計(jì)算模型采用工程中常用的k-ε模型。

圖1 余排入口管道模型1（RCS0040管道）

圖2 余排入口管道模型2（RCS0083管道）

表1 計(jì)算輸入表

4 計(jì)算結(jié)果及分析

整個(gè)管道系統(tǒng)中流體溫度分布見(jiàn)圖3，余排入口處及第一道隔離閥前后的流動(dòng)現(xiàn)象分別見(jiàn)附4和圖5（圖4和圖5中箭頭的大小表征流速的大?。?。

圖3 利用FloEFD計(jì)算流動(dòng)區(qū)域溫度分布

圖4 余排接入口管道內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

圖5 第一道隔離閥前后流動(dòng)現(xiàn)象

RCS0040管道閥門(mén)前后溫度為：

第一道隔離閥前表面介質(zhì)最高溫度：81.14°C；

第一道隔離閥后表面介質(zhì)最高溫度：69.11°C；

RCS0083管道閥門(mén)前后溫度為：

第一道隔離閥前表面介質(zhì)最高溫度：119.29°C；

第一道隔離閥后表面介質(zhì)最高溫度：91.70°C；

在余排入口管嘴處存在較強(qiáng)的漩渦，由于受該渦流的作用，管道入口較大范圍內(nèi)流體混合得比較均勻，溫度幾乎與主管道內(nèi)流體溫度一致，余排管道內(nèi)流體溫度在豎直段上游即開(kāi)始下降。在第一道隔離閥前，流體溫度已經(jīng)由管道外表面與空氣對(duì)流換熱、管道內(nèi)表面與流體對(duì)流換熱以及管道內(nèi)流體的對(duì)流作用降低到81°C左右，在閥后的最高溫度約為70°C。在第一道隔離閥后，死管段內(nèi)的介質(zhì)幾乎沒(méi)有流動(dòng)，僅存在非常微弱的流動(dòng)現(xiàn)象，所以閥后的流體溫度在很短的距離內(nèi)就降到了環(huán)境溫度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文本基于華龍一號(hào)核電機(jī)組余排吸入口管道布置方案，利用FloEFD流體分析軟件對(duì)余排吸入口及死管段部分內(nèi)的流體進(jìn)行熱工計(jì)算，得到了正常運(yùn)行工況下管道內(nèi)流體的溫度分布。通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出，在采用一系列保守假設(shè)的前提下，第一道隔離閥閥后表面流體溫度低于常壓下的飽和溫度，因此從理論分析上驗(yàn)證了華龍一號(hào)核電機(jī)組不存在死管段現(xiàn)象。