華龍一號余排吸入口死管段熱工水力分析

余小權(quán) 賴建永 張玉龍 任 云 劉 航

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(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)部流體不流動的管段。當(dāng)一回路升溫升壓或升功率運(yùn)行過程中，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)致法國核電站以及大亞灣和嶺澳一期核電站的這些閥門閥座產(chǎn)生腐蝕，并影響了這些閥門的密封性，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)定時更為有害。根據(jù)1994年EDF在BLAYAIS1機(jī)組上的測量，這種溫差達(dá)到56°C。

（2）一回路通過反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）閥門不斷給“死管段”內(nèi)靜止液體加熱，如果溫度達(dá)到管道內(nèi)部的壓力對應(yīng)的飽和溫度，就會導(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更會加速腐蝕的產(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產(chǎn)生如下潛在后果：有害雜質(zhì)離子會在水汽兩相分界面上聚集且濃度遠(yuǎn)高于其他部位，這樣會對死管段內(nèi)部和閥門內(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/或閥門部件的腐蝕減薄或裂紋，嚴(yán)重時會影響閥門的密封性。

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閥門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號機(jī)組測得的數(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)化了腐蝕過程。此外，高溫條件本身也會強(qiáng)化腐蝕過程。

另外，死管段內(nèi)還可能存在一定的氧化環(huán)境條件。RRA閥門上部有一個腔室，在機(jī)組動態(tài)排氣期間，微氣泡可能被裹挾進(jìn)RRA系統(tǒng)并在閥門上部腔室聚集。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增加，體積會顯著膨脹并進(jìn)入死管段，從而對本已存在的腐蝕過程起著推波助瀾的作用。

總之，RRA死管段嚴(yán)重腐蝕問題是在多種腐蝕強(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，法國電站曾經(jīng)試圖通過更充分的排氣手段來消除死管段現(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，不過就目前國內(nèi)外情況來看，這種可能性較小。

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

1 方案研究

海南3、4號機(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號機(jī)組發(fā)生了明顯變化：余排系統(tǒng)的兩個系列分別從主系統(tǒng)的2號環(huán)路和3號環(huán)路熱段引出，確保了余排系統(tǒng)兩個系列的完全獨(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)行期間對應(yīng)的飽和溫度。

2 基本假設(shè)

本計算采取了以下假設(shè)：

在計算中，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，為簡化建模過程，在計算模型中假設(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，計算時環(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；

不考慮閥門的泄漏。

3 計算模型

根據(jù)實(shí)際布置情況和假設(shè)條件，用于計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，因此本報告將對RCS0040管道和RCS0083管道分別進(jìn)行計算。本計算部分計算輸入和邊界條件見表1所示。本文利用商業(yè)計算流體力學(xué)軟件FloEFD計算。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為30萬。湍流計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 計算輸入表

4 計算結(jié)果及分析

整個管道系統(tǒng)中流體溫度分布見圖3，余排入口處及第一道隔離閥前后的流動現(xiàn)象分別見附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計算流動區(qū)域溫度分布

圖4 余排接入口管道內(nèi)流體流動現(xiàn)象

圖5 第一道隔離閥前后流動現(xiàn)象

RCS0040管道閥門前后溫度為：

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流換熱、管道內(nèi)表面與流體對流換熱以及管道內(nèi)流體的對流作用降低到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)幾乎沒有流動，僅存在非常微弱的流動現(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

本文本基于華龍一號核電機(jī)組余排吸入口管道布置方案，利用FloEFD流體分析軟件對余排吸入口及死管段部分內(nèi)的流體進(jìn)行熱工計算，得到了正常運(yùn)行工況下管道內(nèi)流體的溫度分布。通過計算結(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)證了華龍一號核電機(jī)組不存在死管段現(xiàn)象。