核電廠建造期間設備及管道的干式保護

馬甲科，孫淑宜

（中國核工業二三建設有限公司， 山東 榮成 264312）

核電廠建造期間設備及管道的干式保護

馬甲科，孫淑宜

（中國核工業二三建設有限公司， 山東 榮成 264312）

設備或管道系統因建造周期長或工程進度延期，由大氣環境腐蝕引起的設備和管道系統損壞不可忽視，采用給設備或管道系統充氣的保護方法隔絕空氣，減輕或杜絕內表面腐蝕，包括幾個重要操作步驟，通過合理的臨時裝置配置，經過一系列操作，使設備或管道系統處在安全、有效的保護下。

設備；管道；腐蝕；干式保護

在核電廠建造期間，人們通常看到的是表面腐蝕的處理，表面腐蝕可以通過涂漆、遮蓋、包裹、覆膜等措施來防范，由于措施比較直觀，保護的成果也很明顯。現在，人們不僅重視設備、管道的表面腐蝕問題，而且重視設備、管道的內部腐蝕防范。

由于核電廠建造周期長，一般都選址在臨海的位置，空氣潮濕、鹽度高，更易造成設備的內部腐蝕，而且由于內部腐蝕的隱蔽性，腐蝕問題不容易被發現。因此研究設備內部腐蝕防范措施，具有很重要的現實意義。

核電廠設備內部保護一般有干式保護法和濕式保護法及表面接觸（處理）保護法三種，干式保護由于其經濟、易操作、效果好等特性，更容易被首選，因此本文重點介紹設備、管道系統的干式保護。

1　 干式保護法簡介

干式保護是在設備或管道系統里充入干燥的無油壓縮空氣，或不含鹵素的惰性氣體、氮氣，保持0.02～0.03 MPa左右的內壓，來阻止外界空氣進入設備、管道系統內，保護內表面；干式保護由于其操作簡單，費用低廉，不額外增加系統重量，尤其對大容積設備、大口徑管道、大體積容器、儲罐、熱交換器等尤為適用，而且能抵御北方寒冷環境，南北方通用，缺點就是操作時對系統的密封性要求高。

2　 保護對象和技術要求

嶺澳二期蒸汽發生器、嶺澳二期設備冷卻水系統3RRIa10～3RRIa15的泵及部分管段要求用無油壓縮空氣干保養；田灣一期蒸汽發生器［1］，在建的華能山東石島灣高溫氣冷堆，反應堆艙室和蒸汽發生器艙室屏蔽冷卻水系統管道則采用氬氣干保養；在建的海陽AP1000核電站核島蒸汽發生器MB-01/02、穩壓器MV20、設備冷卻水系統換熱器ME3A、乏池系統換熱器ME3B、廢液系統換熱器ME3D、安注箱A、非能動余熱排出熱交換器PXS-MT-01要求用氮氣干保護。

海陽AP1000核電站的這些設備在制造完成后已在出廠前做了充氮保護，并附有相應的技術規格書，有詳細的維護參數，這些設備連接管道系統后，還需要充氮保護；嶺澳二期設備冷卻水系統3RRIa10～3RRIa15的泵及部分管段是在按圖紙要求完成安裝，圖紙內容的符合性檢查達到設計要求，系統初步沖洗、壓力試驗完成，所有涉及安裝、試驗的質量計劃均已關閉后進行壓空干式保護，它是在設備、管道系統短時間內不能投入運行，這種碳鋼材質的設備、管道內表面易遇潮濕空氣起銹的前提下采用的方法。

常用介質通常包括無油壓縮空氣和氮氣。無油壓縮空氣的要求是：在20 ℃時，相對濕度低于50%［2］；惰性氣體、氮氣的要求是：純度大于99.8%，其露點小于－40 ℃。

充氣前，對管道系統或設備內表面要求用熱空氣吹干，溫度60～80 ℃［4］。

3　 操作流程

3.1先決條件檢查

準備工作要從人、機、料、法、環五方面著手，統籌安排，充分的準備是順利完成任務的首要前提。

首先是作業人員要經過專項培訓合格，清楚工作內容與流程，最好是參與過系統試驗工作，熟悉整個回路情況；其次是作業過程中使用的關鍵設備、量具，在使用前要經授權機構調校，確認性能滿足試驗要求；第三是準備好試驗用氣瓶、閥門、臨時聯接管、密封件等材料，這些材料雖不構成工程實體，但在作業中也起很重要的作用；第四是作業邊界圖及作業數據包、質量計劃等，要經過業主的批準；第五是現場的水電、邊界臨時盲板、標識等已齊全到位；第六是氣密試驗合格。

3.2氣密性試驗

干式保護前，設備或管道系統應進行一次氣密性試驗［3］，使用介質盡可能地與應充裝的保護氣體相符。

根據技術條件的要求，氣密性試驗的壓力一般為0.2 MPa，試驗時，應緩慢升壓，當壓力升至0.15 MPa時，如未發現異狀或泄漏，繼續升壓直0.3 MPa，在此試驗壓力下穩壓10 min，再將壓力降至0.2 MPa，應用發泡劑檢驗有無泄漏，停壓時間應根據查漏工作需要確定。

3.3氣體置換

除用壓縮空氣來保護的設備或管道系統在吹干內表面后無需置換直接加壓外，使用惰性氣體或氮氣必須進行置換操作，這是因為設備內部或管道系統內存在空氣，保護氣體和空氣分子間距大，它們很容易相互混合，要達到比較純凈的一種氣體濃度環境，需對設備、管道系統的氣體進行置換［4］，氣體的置換問題是干式保護的難點。

氣體置換有三種方法：

第一種是大氣壓力稀釋置換法。此方法即常壓置換，是利用一種氣體稀釋、沖淡作用完成置換，一般經驗值為充入約10倍左右的系統容量，邊充邊排，最后在排氣端進行取樣檢驗，達到要求濃度后關閉閥門保持內壓。因其耗費大量的惰性氣體或氮氣，經濟性較差，檢測儀器要求也高，應用較少。

第二種是抽真空置換法。此法因需要對保護對象抽真空，一般根據設計單位經計算后提供的真空度抽真空，本法在對設備、管道系統耐外壓計算和控制上有一定難度，對設備特別對大容積容器類有潛在的危險，使用較少。

第三種是壓力（循環）置換法。壓力置換法可使用任何惰性氣體或氮氣，基于經濟上的考慮，氮氣是首選，氮氣和空氣比重非常相近，氮氣比重為1.250 g/L，空氣比重為1.293 g/L，為了達到較為徹底置換完設備、管道系統內空氣的目標，給系統用惰性氣體或氮氣加壓，達到設定壓力后靜置5～10 min，然后將系統的壓力降至大氣壓（即泄壓釋放至大氣），關閉閥門后，再次對充氣加壓，再釋放，通過數次操作，逐步提高設備或管道系統內氮氣含量，從而達到置換干凈的目的。此方法成本低、易操作、對人和設備相對安全，在設備制造上和施工現場應用較廣，后面進行詳述。

3.4置換合格標準

氮氣和惰性氣體稀釋置換法檢驗標準在達到按設備或系統容積除以充氣流量后得到的理論充氣時間后，使用氧分析儀，對排氣口氣體取樣檢測，每次間隔5 min連續3次測量氧體積含量小于2%，即可判定置換合格。

3.5保壓

置換完成后，采用壓力稀釋置換法或抽真空法的系統要加壓至0.02～0.03 MPa，采用壓力（循環）置換法的系統要減壓至0.02～0.03 MPa，然后關閉總閥，記錄壓力表參數，包括系統名稱、壓力、環境溫度、日期等。

3.6日常檢查

每周應安排專人對設備或系統進行檢查、記錄，核對壓力，壓力低于0.02 MPa時，要及時補充氣體。

4　 操作要點

干式保護的氣體壓力一般維持在0.02～0.03 MPa左右，即略高于大氣壓，這個壓力點是在置換完成后，將設備或管道系統充氣壓力調整為保護時壓力。

干式保護會因系統部件老化、接管等原因出現漏氣失壓的現象，所以要采取專門的措施來應對，如在接管時設備已與外界開放，就必須給設備連續充氣，保持設備腔內氣體純度，接管完成后關閉閥門或加設盲板維持壓力，保護期間設置專人定期對設備、管道系統進行檢查，并做好記錄。

特別注意的是，充裝惰性氣體的種類、濃度、壓力，須按圖紙或參照技術規范要求執行，由氣瓶直接減壓加氣時要控制流量，一般經驗值小于100 L/min，過快的流速會導致氣瓶口閥門凍結。

氣體置換排放口選擇要有針對性，如比空氣比重大的氣體排放口宜設置在底部，比空氣比重小的氣體宜設置在上部。

干式保護時若發現泄漏，需向系統內充氣，壓力保持在0.2 MPa左右，用發泡劑檢漏，找到原因后，泄壓進行修補作業，完成修補后，再升壓至0.2 MPa進行檢查，無泄漏后調至0.02～0.03 MPa的壓力進行保護。

5　 臨時裝置設計

臨時裝置包括無油空壓機、儲氣罐、干燥機、氣瓶、減壓閥、觀察用壓力表（至少2塊，便于觀察）、連接鋼管、總閥門、排氣閥等組成，壓縮空氣保護連接如圖1所示，惰性氣體或氮氣保護連接如圖2所示：

設備、材料選型如下：

1）德耐爾無油活塞式空壓機DW-1.0/0.7（產量1 m3/min，0.7 MPa）；

2）立式儲氣罐 3～4 m3；

3）冷凍式干燥機C L A D-2 F（處理量2.4 m3/min）；

4）減壓閥 155IN-125（輸出壓力0.03～0.85 MPa，最大輸出流量125 L/min）；

5）總閥 J11T-10 DN15；

6）排氣閥 J11T-10 DN15；

7）壓力表 Y-150 0～1.0 MPa。

整個臨時裝置除儲氣罐和干燥機是法蘭連接外，其余采用絲扣連接，組裝時用鍍鋅焊接鋼管，注意氣瓶口、壓力表絲扣標準匹配。

圖1　壓縮空氣保護連接示意圖Fig.1　Compressed air protection connection

圖2　惰性氣體或氮氣保護連接示意圖Fig.2　Inert gas or nitrogen protection connection

6　 理論計算

氣體置換作為充氣保護的重要環節，并且充氮和充惰性氣體稍有差別［5］（空氣重含量不同），有必要對這兩種介質進行理論證明。

我們知道，氮氣在空氣中的體積比為78%，假設系統容積為V，根據理想氣體公式（我們假定為理想狀態，即溫度不變，T1=T2），根據克拉伯龍方程：

式中：P——氣體壓力，Pa；

V——氣體體積，m3；

n——物質的量，mol；

T——絕對溫度，K；

R——氣體常數，8.314 J/（mol·K）。

由公式（1）推導出：

式中：V——P1狀態下，原有系統內的空氣的體積，m3；

V2——P2狀態下，原有系統內的空氣的體積，m3；

P1——標準大氣壓，MPa；取P1=0.1 MPa；P2——加壓壓力，MPa；

T1—— P1狀態下氣體溫度，K；T2—— P2狀態下氣體溫度，K。

充入氮氣加壓至P2后，原有系統內的空氣的體積為：

新加入設備、管道系統內的氮氣體積為VV2=V－V·P1/P2，且其壓力為P2，其釋放為P1狀態后的體積為（V－V2）·P2/P1=（V－V·P1/ P2）·P2/ P1= V（P2－P1）/ P1。

表1是充氮加壓到0.3 MPa，對一個容積為10 m3的系統每次加壓置換氮含量結果。

從表1可以看出，加壓到0.3 MPa需經5次重復過程才能達到99.9%的氮氣含量，表2是充氮加壓到0.4 MPa，對一個容積為10 m3的系統每次加壓置換氮含量結果。

明顯看出只需4次重復過程才能達到99.9%的氮氣含量，由于公式僅和P2有關，與設備或系統容積無關，充氮加壓壓力越高，置換次數越少，效果越好，鑒于規范上限制的氣壓試驗不得超過0.6 MPa［5］，建議在實際操作上盡量取至0.4 MPa，這樣既安全也經濟。

表1　按0.3 MPa壓力加壓循環置換結果（氮氣）T able 1　Result of the 0.3 MPa pressurized and circled replacement (nitrogen)

表2　按0.4 MPa壓力加壓循環置換結果（氮氣）T able 2　Result of the 0.4 MPa pressurized and circled replacement (nitrogen)

表3　按0.4 MPa壓力加壓循環置換結果（惰性氣體）T able 3　Result of the 0.4 MPa pressurized and circled replacement (inert gas)

對于惰性氣體置換，只要將式中0.78（空氣里含78%的氮氣）改為0（認為空氣中惰性氣體含量為0），充氣加壓到0.4 MPa，對一個容積為10 m3的系統每次加壓置換惰性氣體含量結果（見表3）。

7　 注意事項

在使用的保護氣體中，惰性氣體除氦氣、氖氣比空氣輕可快速擴散外，氬氣及其他的惰性氣體都比空氣重，因此會造成局部聚集，研究表明，當氧氣含量逐漸降低到19%時，人往往就會頭暈目眩、渾身無力。隨著氧氣比例的繼續下降，會引起單純性窒息，所以使用氬氣要特別注意通風和監護，高溫堆在施工中進入檢查時采取啟動向外強制抽風的措施來防止氬氣泄漏后聚集。

氮氣在干式保護上和惰性氣體相仿，也存在潛在危險，由于大氣中氮氣的體積比高達78%，并且氮氣不活潑，無色無味，常溫下不能助燃或與其他物質直接反應，人們對其潛在的危險不能引起足夠重視，在充氣操作中，要嚴防氮氣泄漏，當環境中的氮氣含量逐漸升高時，人也不易覺察，嚴重時也引起單純性窒息，必須做好換氣措施。例如人若進入完全充滿氮氣的設備或容器中，人會立即昏倒窒息直到死亡，這種低氧量環境常常被操作者甚至是管理人員所忽視，必須高度重視，對有氣體保護的設備或管道系統，上面要有警示標志，嚴防無關人員誤動造成保護失敗或人員傷亡。

8　 結束語

核電站的重要設備或管道系統在圖紙上都有保護要求，尤其對需要長途海運的設備，保護顯得尤為重要，這方面國外公司做得很好，不僅在設備、容器內充氣，而且使用大的充氣塑料包裹，將設備、部件等保存在一個空間里，這樣即使再惡劣的環境也對設備無妨，國內相關規范也對保護問題有明確說明［6-7］；目前在高溫堆，由于是示范工程，工程實施時間相對長，其中的部分碳鋼材質管道系統或設備，都宜進行保護，目前已安裝的反應堆艙室、蒸發器艙室屏蔽冷卻水系統預埋管道采用了充氬保護，效果較好，因此對于因停滯或延緩的項目，在設計上沒有設備或管道系統保護要求的情況下，建議積極和設計溝通，在經濟、安全前提下，采取有效措施，做好設備、管道系統的保護、保養，減少或避免損失，為后續冷試創造有利條件。

［1］ 吳俊剛.蒸汽發生器安裝期間的維護保養［J］.中國科技財富，2009（2）.（WU Jun-gang. Maintenance and Service during Installation of Steam Generator ［J］. Fortune World， 2009（2）. ）

［2］ RCC-M （2000版） 壓水堆核島機械設備設計和建造規則第8冊 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工業金屬管道工程施工規范［S］.（GB50235-2010， Construction Specifications for Industrial Metal Piping Work［S］. ）

［4］ 孫云生.天然氣球罐置換方法分析初探［J］. 科學大眾，2007（3）.（SUN Yun-sheng. Preliminary Discussion on the Replacement Method of Natural Gas Spherical Tank［J］. Popular Science， 2007（3）. ）

［5］ 王學濤.充氮密封系統中惰性氣體量的確定［J］. 化工設計與開發，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壓水堆核電廠核島機械設備制造規范［S］.（EJT1012-1996， Manufacture Specifications for the Mechanical Equipment in Nuclear Island of PWR NPP ［S］. ）

［7］ JB/T4711-2003壓力容器涂敷與運輸包裝［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

馬甲科（1966—），男，陜西扶風人，高級工程師，工學學士，現從事管道安裝技術管理工作。