核电厂建造期间设备及管道的干式保护

马甲科，孙淑宜

（中国核工业二三建设有限公司， 山东 荣成 264312）

核电厂建造期间设备及管道的干式保护

马甲科，孙淑宜

（中国核工业二三建设有限公司， 山东 荣成 264312）

设备或管道系统因建造周期长或工程进度延期，由大气环境腐蚀引起的设备和管道系统损坏不可忽视，采用给设备或管道系统充气的保护方法隔绝空气，减轻或杜绝内表面腐蚀，包括几个重要操作步骤，通过合理的临时装置配置，经过一系列操作，使设备或管道系统处在安全、有效的保护下。

设备；管道；腐蚀；干式保护

在核电厂建造期间，人们通常看到的是表面腐蚀的处理，表面腐蚀可以通过涂漆、遮盖、包裹、覆膜等措施来防范，由于措施比较直观，保护的成果也很明显。现在，人们不仅重视设备、管道的表面腐蚀问题，而且重视设备、管道的内部腐蚀防范。

由于核电厂建造周期长，一般都选址在临海的位置，空气潮湿、盐度高，更易造成设备的内部腐蚀，而且由于内部腐蚀的隐蔽性，腐蚀问题不容易被发现。因此研究设备内部腐蚀防范措施，具有很重要的现实意义。

核电厂设备内部保护一般有干式保护法和湿式保护法及表面接触（处理）保护法三种，干式保护由于其经济、易操作、效果好等特性，更容易被首选，因此本文重点介绍设备、管道系统的干式保护。

1　 干式保护法简介

干式保护是在设备或管道系统里充入干燥的无油压缩空气，或不含卤素的惰性气体、氮气，保持0.02～0.03 MPa左右的内压，来阻止外界空气进入设备、管道系统内，保护内表面；干式保护由于其操作简单，费用低廉，不额外增加系统重量，尤其对大容积设备、大口径管道、大体积容器、储罐、热交换器等尤为适用，而且能抵御北方寒冷环境，南北方通用，缺点就是操作时对系统的密封性要求高。

2　 保护对象和技术要求

岭澳二期蒸汽发生器、岭澳二期设备冷却水系统3RRIa10～3RRIa15的泵及部分管段要求用无油压缩空气干保养；田湾一期蒸汽发生器［1］，在建的华能山东石岛湾高温气冷堆，反应堆舱室和蒸汽发生器舱室屏蔽冷却水系统管道则采用氩气干保养；在建的海阳AP1000核电站核岛蒸汽发生器MB-01/02、稳压器MV20、设备冷却水系统换热器ME3A、乏池系统换热器ME3B、废液系统换热器ME3D、安注箱A、非能动余热排出热交换器PXS-MT-01要求用氮气干保护。

海阳AP1000核电站的这些设备在制造完成后已在出厂前做了充氮保护，并附有相应的技术规格书，有详细的维护参数，这些设备连接管道系统后，还需要充氮保护；岭澳二期设备冷却水系统3RRIa10～3RRIa15的泵及部分管段是在按图纸要求完成安装，图纸内容的符合性检查达到设计要求，系统初步冲洗、压力试验完成，所有涉及安装、试验的质量计划均已关闭后进行压空干式保护，它是在设备、管道系统短时间内不能投入运行，这种碳钢材质的设备、管道内表面易遇潮湿空气起锈的前提下采用的方法。

常用介质通常包括无油压缩空气和氮气。无油压缩空气的要求是：在20 ℃时，相对湿度低于50%［2］；惰性气体、氮气的要求是：纯度大于99.8%，其露点小于－40 ℃。

充气前，对管道系统或设备内表面要求用热空气吹干，温度60～80 ℃［4］。

3　 操作流程

3.1先决条件检查

准备工作要从人、机、料、法、环五方面着手，统筹安排，充分的准备是顺利完成任务的首要前提。

首先是作业人员要经过专项培训合格，清楚工作内容与流程，最好是参与过系统试验工作，熟悉整个回路情况；其次是作业过程中使用的关键设备、量具，在使用前要经授权机构调校，确认性能满足试验要求；第三是准备好试验用气瓶、阀门、临时联接管、密封件等材料，这些材料虽不构成工程实体，但在作业中也起很重要的作用；第四是作业边界图及作业数据包、质量计划等，要经过业主的批准；第五是现场的水电、边界临时盲板、标识等已齐全到位；第六是气密试验合格。

3.2气密性试验

干式保护前，设备或管道系统应进行一次气密性试验［3］，使用介质尽可能地与应充装的保护气体相符。

根据技术条件的要求，气密性试验的压力一般为0.2 MPa，试验时，应缓慢升压，当压力升至0.15 MPa时，如未发现异状或泄漏，继续升压直0.3 MPa，在此试验压力下稳压10 min，再将压力降至0.2 MPa，应用发泡剂检验有无泄漏，停压时间应根据查漏工作需要确定。

3.3气体置换

除用压缩空气来保护的设备或管道系统在吹干内表面后无需置换直接加压外，使用惰性气体或氮气必须进行置换操作，这是因为设备内部或管道系统内存在空气，保护气体和空气分子间距大，它们很容易相互混合，要达到比较纯净的一种气体浓度环境，需对设备、管道系统的气体进行置换［4］，气体的置换问题是干式保护的难点。

气体置换有三种方法：

第一种是大气压力稀释置换法。此方法即常压置换，是利用一种气体稀释、冲淡作用完成置换，一般经验值为充入约10倍左右的系统容量，边充边排，最后在排气端进行取样检验，达到要求浓度后关闭阀门保持内压。因其耗费大量的惰性气体或氮气，经济性较差，检测仪器要求也高，应用较少。

第二种是抽真空置换法。此法因需要对保护对象抽真空，一般根据设计单位经计算后提供的真空度抽真空，本法在对设备、管道系统耐外压计算和控制上有一定难度，对设备特别对大容积容器类有潜在的危险，使用较少。

第三种是压力（循环）置换法。压力置换法可使用任何惰性气体或氮气，基于经济上的考虑，氮气是首选，氮气和空气比重非常相近，氮气比重为1.250 g/L，空气比重为1.293 g/L，为了达到较为彻底置换完设备、管道系统内空气的目标，给系统用惰性气体或氮气加压，达到设定压力后静置5～10 min，然后将系统的压力降至大气压（即泄压释放至大气），关闭阀门后，再次对充气加压，再释放，通过数次操作，逐步提高设备或管道系统内氮气含量，从而达到置换干净的目的。此方法成本低、易操作、对人和设备相对安全，在设备制造上和施工现场应用较广，后面进行详述。

3.4置换合格标准

氮气和惰性气体稀释置换法检验标准在达到按设备或系统容积除以充气流量后得到的理论充气时间后，使用氧分析仪，对排气口气体取样检测，每次间隔5 min连续3次测量氧体积含量小于2%，即可判定置换合格。

3.5保压

置换完成后，采用压力稀释置换法或抽真空法的系统要加压至0.02～0.03 MPa，采用压力（循环）置换法的系统要减压至0.02～0.03 MPa，然后关闭总阀，记录压力表参数，包括系统名称、压力、环境温度、日期等。

3.6日常检查

每周应安排专人对设备或系统进行检查、记录，核对压力，压力低于0.02 MPa时，要及时补充气体。

4　 操作要点

干式保护的气体压力一般维持在0.02～0.03 MPa左右，即略高于大气压，这个压力点是在置换完成后，将设备或管道系统充气压力调整为保护时压力。

干式保护会因系统部件老化、接管等原因出现漏气失压的现象，所以要采取专门的措施来应对，如在接管时设备已与外界开放，就必须给设备连续充气，保持设备腔内气体纯度，接管完成后关闭阀门或加设盲板维持压力，保护期间设置专人定期对设备、管道系统进行检查，并做好记录。

特别注意的是，充装惰性气体的种类、浓度、压力，须按图纸或参照技术规范要求执行，由气瓶直接减压加气时要控制流量，一般经验值小于100 L/min，过快的流速会导致气瓶口阀门冻结。

气体置换排放口选择要有针对性，如比空气比重大的气体排放口宜设置在底部，比空气比重小的气体宜设置在上部。

干式保护时若发现泄漏，需向系统内充气，压力保持在0.2 MPa左右，用发泡剂检漏，找到原因后，泄压进行修补作业，完成修补后，再升压至0.2 MPa进行检查，无泄漏后调至0.02～0.03 MPa的压力进行保护。

5　 临时装置设计

临时装置包括无油空压机、储气罐、干燥机、气瓶、减压阀、观察用压力表（至少2块，便于观察）、连接钢管、总阀门、排气阀等组成，压缩空气保护连接如图1所示，惰性气体或氮气保护连接如图2所示：

设备、材料选型如下：

1）德耐尔无油活塞式空压机DW-1.0/0.7（产量1 m3/min，0.7 MPa）；

2）立式储气罐 3～4 m3；

3）冷冻式干燥机C L A D-2 F（处理量2.4 m3/min）；

4）减压阀 155IN-125（输出压力0.03～0.85 MPa，最大输出流量125 L/min）；

5）总阀 J11T-10 DN15；

6）排气阀 J11T-10 DN15；

7）压力表 Y-150 0～1.0 MPa。

整个临时装置除储气罐和干燥机是法兰连接外，其余采用丝扣连接，组装时用镀锌焊接钢管，注意气瓶口、压力表丝扣标准匹配。

图1　压缩空气保护连接示意图Fig.1　Compressed air protection connection

图2　惰性气体或氮气保护连接示意图Fig.2　Inert gas or nitrogen protection connection

6　 理论计算

气体置换作为充气保护的重要环节，并且充氮和充惰性气体稍有差别［5］（空气重含量不同），有必要对这两种介质进行理论证明。

我们知道，氮气在空气中的体积比为78%，假设系统容积为V，根据理想气体公式（我们假定为理想状态，即温度不变，T1=T2），根据克拉伯龙方程：

式中：P——气体压力，Pa；

V——气体体积，m3；

n——物质的量，mol；

T——绝对温度，K；

R——气体常数，8.314 J/（mol·K）。

由公式（1）推导出：

式中：V——P1状态下，原有系统内的空气的体积，m3；

V2——P2状态下，原有系统内的空气的体积，m3；

P1——标准大气压，MPa；取P1=0.1 MPa；P2——加压压力，MPa；

T1—— P1状态下气体温度，K；T2—— P2状态下气体温度，K。

充入氮气加压至P2后，原有系统内的空气的体积为：

新加入设备、管道系统内的氮气体积为VV2=V－V·P1/P2，且其压力为P2，其释放为P1状态后的体积为（V－V2）·P2/P1=（V－V·P1/ P2）·P2/ P1= V（P2－P1）/ P1。

表1是充氮加压到0.3 MPa，对一个容积为10 m3的系统每次加压置换氮含量结果。

从表1可以看出，加压到0.3 MPa需经5次重复过程才能达到99.9%的氮气含量，表2是充氮加压到0.4 MPa，对一个容积为10 m3的系统每次加压置换氮含量结果。

明显看出只需4次重复过程才能达到99.9%的氮气含量，由于公式仅和P2有关，与设备或系统容积无关，充氮加压压力越高，置换次数越少，效果越好，鉴于规范上限制的气压试验不得超过0.6 MPa［5］，建议在实际操作上尽量取至0.4 MPa，这样既安全也经济。

表1　按0.3 MPa压力加压循环置换结果（氮气）T able 1　Result of the 0.3 MPa pressurized and circled replacement (nitrogen)

表2　按0.4 MPa压力加压循环置换结果（氮气）T able 2　Result of the 0.4 MPa pressurized and circled replacement (nitrogen)

表3　按0.4 MPa压力加压循环置换结果（惰性气体）T able 3　Result of the 0.4 MPa pressurized and circled replacement (inert gas)

对于惰性气体置换，只要将式中0.78（空气里含78%的氮气）改为0（认为空气中惰性气体含量为0），充气加压到0.4 MPa，对一个容积为10 m3的系统每次加压置换惰性气体含量结果（见表3）。

7　 注意事项

在使用的保护气体中，惰性气体除氦气、氖气比空气轻可快速扩散外，氩气及其他的惰性气体都比空气重，因此会造成局部聚集，研究表明，当氧气含量逐渐降低到19%时，人往往就会头晕目眩、浑身无力。随着氧气比例的继续下降，会引起单纯性窒息，所以使用氩气要特别注意通风和监护，高温堆在施工中进入检查时采取启动向外强制抽风的措施来防止氩气泄漏后聚集。

氮气在干式保护上和惰性气体相仿，也存在潜在危险，由于大气中氮气的体积比高达78%，并且氮气不活泼，无色无味，常温下不能助燃或与其他物质直接反应，人们对其潜在的危险不能引起足够重视，在充气操作中，要严防氮气泄漏，当环境中的氮气含量逐渐升高时，人也不易觉察，严重时也引起单纯性窒息，必须做好换气措施。例如人若进入完全充满氮气的设备或容器中，人会立即昏倒窒息直到死亡，这种低氧量环境常常被操作者甚至是管理人员所忽视，必须高度重视，对有气体保护的设备或管道系统，上面要有警示标志，严防无关人员误动造成保护失败或人员伤亡。

8　 结束语

核电站的重要设备或管道系统在图纸上都有保护要求，尤其对需要长途海运的设备，保护显得尤为重要，这方面国外公司做得很好，不仅在设备、容器内充气，而且使用大的充气塑料包裹，将设备、部件等保存在一个空间里，这样即使再恶劣的环境也对设备无妨，国内相关规范也对保护问题有明确说明［6-7］；目前在高温堆，由于是示范工程，工程实施时间相对长，其中的部分碳钢材质管道系统或设备，都宜进行保护，目前已安装的反应堆舱室、蒸发器舱室屏蔽冷却水系统预埋管道采用了充氩保护，效果较好，因此对于因停滞或延缓的项目，在设计上没有设备或管道系统保护要求的情况下，建议积极和设计沟通，在经济、安全前提下，采取有效措施，做好设备、管道系统的保护、保养，减少或避免损失，为后续冷试创造有利条件。

［1］ 吴俊刚.蒸汽发生器安装期间的维护保养［J］.中国科技财富，2009（2）.（WU Jun-gang. Maintenance and Service during Installation of Steam Generator ［J］. Fortune World， 2009（2）. ）

［2］ RCC-M （2000版） 压水堆核岛机械设备设计和建造规则第8册 F卷 制造［S］. RCC-M （2000）.（The Design and Construction Rules for the Mechanical Equipment in the Nuclear Island of PWR （Book 8，Vol. F Manufacture） ［S］. ）

［3］ GB50235-2010工业金属管道工程施工规范［S］.（GB50235-2010， Construction Specifications for Industrial Metal Piping Work［S］. ）

［4］ 孙云生.天然气球罐置换方法分析初探［J］. 科学大众，2007（3）.（SUN Yun-sheng. Preliminary Discussion on the Replacement Method of Natural Gas Spherical Tank［J］. Popular Science， 2007（3）. ）

［5］ 王学涛.充氮密封系统中惰性气体量的确定［J］. 化工设计与开发，1991 （2）.（W A N G X u e-t a o. Determination of the Amount of Inert Gas in the Nitrogen Filling and Sealing System ［J］. Design and Development of Chemical Engineering，1991（2）. ）

［6］ EJT1012-1996压水堆核电厂核岛机械设备制造规范［S］.（EJT1012-1996， Manufacture Specifications for the Mechanical Equipment in Nuclear Island of PWR NPP ［S］. ）

［7］ JB/T4711-2003压力容器涂敷与运输包装［S］.（JB/ T4711-2003， Coating and Transport Package for the Pressure Vessel ［S］. ）

Dry Protection of Equipment and Piping System during the Construction of Nuclear Power Plant

MA Jia-ke，SUN Shu-yi
（China Nuclear Industry 23 Construction Co.， Ltd.， Rongcheng of Shandong Prov. 264312，China）

Equipment and pipeline system damage caused by atmospheric environment corrosion cannot be ignored due to long construction period or schedule delay. The method to fill gas into equipment or pipe system to isolate air， reduce or eliminate the inner surface corrosion. It includes several important steps. Through reasonable temporary device configuration and by a series of operations， the pipeline system and equipment are put into a safe and effective protection.

equipment； piping； corrosion； dry protection

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617（2016）02-0132-06

TM623

A

1674-1617（2016）02-0132-06

2015-10-30

马甲科（1966—），男，陕西扶风人，高级工程师，工学学士，现从事管道安装技术管理工作。