超高压水射流技术在SG二次侧排污穴应用

钱艳平，陈政文，黄紫龙

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

俄VVER型核电机组蒸汽发生集流管排污穴室设计在蒸发器冷/热侧，在核电厂运行过程中蒸汽发生器二回路系统的腐蚀性产物通过集流管穴室收集排出。立式蒸汽发生器二次侧腐蚀物多数情况下通过机械水力清洗方式，冲洗压力约20 MPa，受限于蒸汽发生器传热管结构，同类设备无法满足VVER堆型蒸汽发生器集流管穴室环廊360°全范围冲洗要求。

VVER蒸汽发生器集流管排污穴室为环形密封容器结构，出入口为直径为19 mm小接管。针对其接口尺寸小、清理范围为360°的环型槽结构、沉积物为片状堆积布置等特点，本文主要研究清理方式的选择、清理执行端的送入方式、执行端可达范围以及人员操作的安全性和设备可靠性等。选择合适的压力等级，保证超高压水射流清洗不会损伤被清洗基体，对设备和管道大小、材料、形状等无特殊要求、无热影响区、不会造成材料的结构变化或热变形。

1 总体思路

VVER堆型蒸发器内壁与集流管外壁间形成的空腔叫集流管“穴室”（图1）：单个集流管穴室共两个入口接管，180°方向对称布置，接管内径19 mm，每台蒸发器包含冷段、热段两个集流管。由于卧式蒸发器排污穴室结构特殊，其清理区域为环形槽结构，要求穴室内壁100%位置可达无死区。

图1 排污穴室结构

根据结构特征，可以选用化学清理、机械清理等方式：机械清理方式的优点是不环境污染，成本低、清洗效率较高、安全、可靠；化学清洗利用化学试剂浸泡或流动循环将污垢溶解后排出管道或容器外，废液对环境易造成污染，并且化学溶剂浸泡时间较长，集流管出入口为现场临时切割、易泄漏化学溶剂。

经过多方面论证，最终决定采用超高压机械水力清洗方式，基本思路是：以去离子水为介质，通过特定的装置或设备（高压泵），利用喷嘴在一定压力作用下能够自动悬浮的性能，通过装置推进可达到集流管穴室的360°全范围。

2 设计方案

2.1 冲洗工艺流程

选择定向冲洗与全范围冲洗工艺相结合方式：首先利用直流喷嘴定向冲洗，有效打开通道，清除穴室底部泥渣，然后配合自旋转喷嘴全范围冲洗，可实现360°周向清洗，包括清除穴室底部和侧壁上方的泥渣。根据模拟体参数试验验证，当压力达到100 MPa时喷嘴自动悬浮，可有效抵达整个穴室环形区域。

2.2 实施方案

采用高压水射流冲洗技术，一定体积的符合水化学标准的去盐水（去离子水）注入水箱中，冲洗用水从水箱由前置泵送往高压泵，经高压泵加压至工作压力。当系统达到工作压力时，冲洗枪头处于自悬浮状态，通过手动推送高压软管，冲洗枪头可环绕的SG（核电蒸汽发生器）集流管穴室环廊左右两侧0°～180°待冲洗区域，完成穴室环廊全冲洗的要求。抽吸后的废液及残渣沉积物，通过抽吸系统抽吸及过滤后排放至核岛内排污系统。

2.3 设备组成

SG集流管排污穴室冲洗设备能实现对蒸发器集流管穴室环廊360°全范围冲洗、视频检查，该设备包括超高压模块、枪头安装模块、抽吸过滤模块和安全防护设备四大部分。

（1）超高压模块。提供冲洗所用的一定流量、一定压力的高压水平台，建立冲洗系统回路，包括高压泵及控制柜、过渡水箱、小型空压机等辅助设备集成于一个集装箱内。

超高压泵由电机直联驱动，动力端自带强制润滑油泵及减速系统，转换装置带有柱塞水润滑和冷却系统，采用组合式进排液阀设计，泵头具有抗疲劳屈服能力。在以下临界条件下具备自动停车功能：①超高压泵最低油压；②超高压泵最低净吸压力；③水箱进水液位低；④驱动电机过载保护；⑤超高压泵超压保护安全爆破片280 MPa。

（2）枪头安装模块。针对VVER堆型蒸发器集流管排污穴室，研制了一种水力冲洗枪头导向定位装置：能有效控制冲洗枪头及视频探头运行方向，实现枪头及视频探头在集流管环廊内部左、右导向，同时避免水力冲洗回水从安装入口处回流，实现集流管环廊周向0°～360°冲洗；安装方便可靠，保证设备及人员安全；锁紧螺母将装置固定在集流管排污穴室入口接管外壁，固定螺栓插入带快锁功能的定位销防止枪头意外脱出，造成人员和设备损伤；通过钢丝绳带动导向套筒调整喷嘴方向；引流接头外套波纹管并固定，推送高压软管使喷嘴到合适位置，标记高压软管起始位置，完成枪头安装导向。

（3）抽吸过滤模块。首先废液包括水和残渣沉积物通过工业用真空吸尘器抽吸，废液通过接管从集流管“穴室”进入吸尘器中，经过过滤篮后废液依次进入过滤器、过滤系统，然后排放至厂房排放口排放。吸尘器的吸风口内部装有钢制偏转装置，能产生气旋效应，减小吸料产生堵塞和磨损。

（4）安全防护设备，选用TST高压安全防护服（含背心、连体服以及整体护手旋喷承压280 MPa）和TST高压安全防护靴旋喷承压300 MPa。

图2 设备组成

2.4 设备安全性分析

工作时水射流作用于集流管穴室内壁，射流速度和方向均发生变化，在射流打击面应用动量定理，可得FtΔt=mv1-mv2。

反射后在垂直方向的分量为反射速度的余弦值，假设反射后速度不变，取水射流反射后射流方向改变角度β为180°时，打击力达到最大：

式中 Ft——水射流在穴室内壁打击力，N

ρ——为水射流密度，kg/m3

q——水射流流量，L/min

v——射流喷射速度，m/s

β——水射流反射后射流方向改变角度，°

当β=180°时，即射流完全反射时，总打击力Ft达到最大值，即Ft=2ρqv。

整理后可得到Ft=π×d2×P。

在水射流喷射过程中，受扩散、阻力等因素影响，射流作用于穴室内壁的打击力远远小于理论计算：对于前向喷嘴单个喷嘴，最大打击力Ft=π×0.452×150=95.38 N；对于自旋转喷嘴单个喷嘴，最大打击力Ft=π×0.32×150=42.39 N。

3 结论

本课题利用自旋转喷嘴自悬浮技术，研究了一种密封环形容器泥渣清除方法，现场应用结果良好。设备操作安装方便，安全性好，其冲洗枪头安装适合于多个工况，针对狭小空间或难以达到区域设备的清洗、除锈均可采用该技术，还可推广至石油化工等小型管道等领域，产生更多的经济效益和社会效益。