堆頂排氣管異物導致流阻偏大問題的分析及處理

張 華

(上海核工程研究設計院有限公司，上海200233)

反應堆壓力容器(RV)堆頂排氣管在正常工況下執行反應堆的充水排氣功能，并在事故工況下執行應急下泄/排氣的安全相關功能。堆頂排氣管流道試驗的主要目的是驗證堆頂排氣管的流動阻力(簡稱流阻)大小，確認其排放能力滿足設計要求。AP1000依托項目某機組堆頂排氣管流道試驗中，按照試驗流程獲取相關數據后，經計算得到流阻大于設計要求。本文主要對該機組堆頂排氣管流阻偏大問題的分析及處理過程進行了總結，并作了相應的經驗反饋。

1 系統及試驗概述

堆頂排氣管主要由兩段構成：一段管線從反應堆壓力容器頂蓋的頂部引出，主要布置在反應堆壓力容器一體化頂蓋(IHP)上，隨著一體化頂蓋整體移動；另一段固定布置在靠近蒸汽發生器(SG)A側隔間的墻體上，管線上有4個用于控制頂蓋排氣的電磁閥，并按A/C、B/D分兩列并聯布置，管線末端去往安全殼內置換料水箱(IRWST)。當一體化頂蓋在反應堆壓力容器上安裝就位后，兩段管線經跨接短管連接在一起。堆頂排氣管主要組成及布置情況如圖1所示。

堆頂排氣管流道試驗需要一回路在帶壓狀態，通常在一回路水壓試驗前執行。試驗前，在堆頂排氣管末端安裝臨時壓力表用于測量出口壓力，在堆頂排氣管適當位置安裝臨時超聲波流量計用于測量流量，監測一回路壓力作為堆頂排氣管入口壓力。在一回路水實體帶壓狀態下，通過打開堆頂排氣隔離閥A/C(或B/D)，建立從RV頂蓋去往IRWST的流道，待流量穩定后，監測并記錄堆頂排氣管的出、入口壓力和流量，根據測得的數據計算出堆頂排氣管的流阻。

AP1000依托項目某機組堆頂排氣管流道試驗中，測得通過A/C列流阻約為5.6 m/(m3/h)2，通過B/D列流阻約為5.2 m/(m3/h)2，均大于驗收準則流阻不大于3.82 m/(m3/h)2的要求。

圖1 堆頂排氣管流道試驗示意圖Fig.1 Diagram of reactor vessel head vent line flow resistance flow resistance test

2 分析及處理過程

2.1 系統安裝及臨措檢查

按照先易后難的原則，調試人員首先對系統安裝及臨措進行了排查。

(1)檢查儀表：對試驗相關的所有壓力表和流量計進行了排查，確認儀器、儀表均無異常，收集的試驗數據可信。

(2)檢查限流孔板：對兩個限流孔板的型號、安裝方向、墊片尺寸以及安裝對中情況等逐一進行了檢查，確認孔板及墊片與設計一致，安裝正確。

(3)檢查電磁閥：對四個堆頂排氣隔離電磁閥檢查，確認電磁閥動作靈活，開、關位置正常。

(4)檢查跨接短管：檢查跨接短管法蘭安裝對中情況，并拆卸抽真空短管檢查墊片尺寸型號及短管內徑尺寸。經檢查，短管對中安裝正確，管道內徑和墊片尺寸均正常，對流道無影響。

(5)檢查焊縫余高：拆除抽真空短管時，從法蘭口目測發現焊縫余高凸起明顯，最大焊縫余高凸起估測約為2.6 mm。經查閱ASME設計規范，該焊縫余高在設計允許范圍內，設計人員評估后也確認對流道影響不大。進一步查閱相關施工質量記錄文件，確認所有焊縫均滿足規范要求。

(6)檢查管道壁厚：使用測厚儀對堆頂排氣管所有管道壁厚進行測量，結果顯示管道壁厚均滿足設計規范要求。同時，對相鄰機組的壁厚也進行了測量，對比顯示二者相同位置的壁厚基本一致。

以上檢查均未發現導致流阻偏大的原因。

2.2 分段流道試驗排查

為縮小排查范圍，調試人員采用了分段流道試驗的方法，以確定導致流阻偏大的管段，便于開展更有針對性的排查。根據堆頂排氣管的組成和布置特點，將堆頂排氣管分成跨接短管至IRWST管段和跨接短管至RV頂蓋管段分別進行流道試驗。

(1)跨接短管至IRWST管段流道試驗

如圖2所示，在與跨接短管對接的法蘭處安裝帶有臨時壓力表的臨時裝置，使用臨時軟管將殼內除鹽水從臨時裝置接口處引入，建立去往IRWST方向的堆頂排氣管段流道，測量并記錄測量出、入口壓力及流量。

圖2 跨接短管至IRWST管段流道試驗示意圖Fig.2 Flow test diagram from jumper pipe to IRWST

根據試驗數據計算得到通過AC列和BD列的流阻分別為1.64 m/(m3/h)2和0.96 m/(m3/h)2，與兩列各自的理論設計流阻值基本吻合，因此初步排除該段管線對總體流阻的影響。

(2)跨接短管至RV頂蓋管段流道試驗。

如圖3所示，在與跨接短管對接的法蘭處安裝帶有臨時壓力表的臨時裝置，使用臨時軟管將除鹽水從臨時裝置接口處引入，建立從跨接短管端去往RV頂蓋的堆頂排氣管流道，該流道的流向與正常流向相反。試驗在RV開蓋后一體化頂蓋置于存放架時執行，為避免跑水，試驗時在RV頂蓋內出水口下方放置臨時水桶，并在桶內安裝臨時潛水泵將水及時排出。

圖3 跨接短管至RV頂蓋管段流道試驗示意圖Fig.3 Flow test diagram from jumper pipe to RV head

試驗初期流量在2.1 m3/h左右，進行約4 min后流量突然增大并穩定在6.1 m3/h。根據試驗數據計算，最初流量在2.1 m3/h時的流阻為4.4 m/(m3/h)2左右，遠大于該段管線的理論設計值，流量增大至6.1 m3/h后的流阻值為0.62 m/(m3/h)2，與該段管線的理論設計值基本一致。

綜合分析分段流道試驗情況，基本可以判定導致堆頂排氣管流阻偏大的主要問題在跨接短管至RV頂蓋管段。進一步分析跨接短管至RV頂蓋管段流道試驗過程和結果，可以推測為異物卡在管道內導致流阻偏大，在分段流道試驗中經反向水流沖擊后，卡在管內的異物被沖出或改變方位，從而不再影響流阻。

由于異物的形狀、大小、材質等特性均未知，試驗后也未在臨時桶內發現任何可疑物體，因此，異物既可能已沖出并被排水泵抽走，也可能仍滯留在管道內，只是改變了方位。如果異物只是改變方位并滯留在管道內，不僅會影響后續試驗，也將對機組運行造成嚴重的安全隱患，因此，必須繼續對跨接短管至RV頂蓋管段進行徹底的排查，以消除隱患。

2.3 跨接短管至RV頂蓋管段異物排查

跨接短管至RV頂蓋的堆頂排氣管均布置在一體化頂蓋上，管線總長約為11 m，管徑均為1英寸，全程共10個彎頭，管線布置情況如圖4所示。由于管道細長，只能選用內窺鏡對管道內部進行目視檢查。但因管徑小、彎頭多，受內窺鏡插入管柔性限制，無論從上部法蘭口插入還是下部RV頂蓋內插入，內窺鏡探頭最多只能自然推進到第三個彎頭附近，中間的大部分管道無法觀測到。

圖4 跨接短管至RV頂蓋管道布置圖Fig.4 Pipe layout diagram from Jumper pipe to RV Head

為解決內窺鏡探頭無法深入管內的問題，調試人員創造性的使用了壓空吹動小球穿繩的方法。如圖5所示，將細繩一端系在小球上，使用壓縮空氣吹動小球帶著細繩從上部法蘭穿過堆頂排氣管，然后用細繩捆住內窺鏡探頭，通過回拉細繩牽引內窺鏡探頭緩慢通過管道和彎頭，從而克服內窺鏡插入管柔軟無法連續通過多個彎頭的問題，實現對整個頂蓋側堆頂排氣管段的內部檢查。

圖5 壓空吹動小球帶繩穿管示意圖Fig.5 Diagram of the ball passing through the pipe

但該方法也存在一定風險，主要是細繩牽引內窺鏡時，如果用力過大，可能導致內窺鏡探頭斷裂并卡在管內成為新的異物。為降低風險，調試人員按照與堆頂排氣管完全相同的管道材質、管徑大小、施工工藝以及布置方式，以1∶1的比例制作了一段臨時管道。通過在臨時管道上反復測試和演練，確認該方法具備可行性和安全性。

按此方法，調試人員順利使用內窺鏡完成了管道內部檢查，確認管道內已無異物。

3 結論與總結

經過排查與分析，最終確認導致堆頂排氣管流道試驗中流阻偏大的主要原因是跨接短管至RV頂蓋管段內存在異物，且異物在分段流道試驗排查過程中已被反向水流沖出。

在分析處理過程中，調試人員按照先易后難、縮小范圍、集中排查的思路，采取了一系列行之有效的辦法，提高了排查效率。部分思路和方法在處理類似問題時可作為借鑒使用：

(1)在初步檢查未找到導致流阻偏大的問題根源后，采取分段流道試驗的方法，確定了存在問題的管段，從而縮小了排查的范圍，便于后續采取更有針對性的排查措施。

(2)在無法直接使用內窺鏡對管徑小、彎頭多的堆頂排氣管內部全程進行異物檢查后，采用壓空吹動小球帶著細繩穿過管線的方法，再使用細繩牽引內窺鏡探頭完成了對整個管線的檢查。

(3)充分考慮使用細繩牽引內窺鏡探頭穿過細管和彎頭時探頭可能斷裂并卡在堆頂排氣管內的風險，通過制作與正式管線完全相同的臨時管線對方案進行驗證，確保了內窺鏡檢查的可行性和安全性。