冰堵培訓(xùn)教材

1、冰堵培訓(xùn)教材冰堵培訓(xùn)教材目 錄1.0冰堵的必要性12.0冰塞制做12.1制做冰塞的常用方法12.2制做冰塞的先決條件22.3材料的低溫脆性22.4冰塞的形成過(guò)程22.5冰塞解凍43.0應(yīng)力分析44.0夾套和位置的選擇54.1選擇夾套54.2選擇位置55.0冰塞形成的探測(cè)手段66.0冰堵的風(fēng)險(xiǎn)危害及預(yù)防措施76.1冰堵的風(fēng)險(xiǎn)76.2冰堵失效的原因及應(yīng)對(duì)措施76.3管道破裂的原因及應(yīng)對(duì)措施71.0 冰堵的必要性在核電廠或化工工藝系統(tǒng)（介質(zhì)為液態(tài)）中，設(shè)備出現(xiàn)故障需維修或更換，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，而該系統(tǒng)的相關(guān)部分無(wú)隔離設(shè)備，或隔離設(shè)備不可用，或隔離設(shè)備本身需要維修等，造成系統(tǒng)不能隔離；同時(shí)，由于安

2、全（例如，作為反應(yīng)堆熱阱的主熱傳輸系統(tǒng)在任何時(shí)候必須充滿水）和經(jīng)濟(jì)（系統(tǒng)介質(zhì)量大、疏排和充裝時(shí)間長(zhǎng)；重水降級(jí)，放射性外逸）上的原因，介質(zhì)疏排難度大或難于滿足運(yùn)行要求，這種情況下，采用冰塞來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)隔離是一種可行的方法，即：利用冷卻劑（液氮或干冰等）對(duì)需要隔離的系統(tǒng)管道進(jìn)行局部冷卻，使該管段內(nèi)的液態(tài)介質(zhì)結(jié)冰，形成一段能承受相當(dāng)高壓力的冰塞，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隔離的目的。同時(shí)，可以避免了整個(gè)系統(tǒng)的停運(yùn)或疏排，避免了重水系統(tǒng)重水的降級(jí)，以及放射性物質(zhì)的外逸等。因此，具備冰堵的能力對(duì)堆核電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性有重大的意義。2.0 冰塞制做冰塞是管道內(nèi)的一段冰凍的液體，通過(guò)低溫冷卻劑冷卻管道內(nèi)介質(zhì)來(lái)制做。冰塞

3、形成后能承載相當(dāng)高的壓力，甚至能承受超過(guò)管道的破裂壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，完整的冰塞至少能承受10Mpa以上的壓力。液氮和液態(tài)二氧化碳都是理想的冷卻劑。液氮的蒸發(fā)溫度為-196；液態(tài)二氧化碳在常溫常壓下形成干冰，干冰的升華溫度為-78。制做冰塞的常用方法制做冰塞方法通常有：液氮法、干冰法 (1) 液氮法：圖一是利用液氮制做冰塞的典型做法。將冰塞夾套固定于工藝管道適當(dāng)?shù)奈恢?，?dāng)液氮供應(yīng)閥打開時(shí)，液氮充滿夾套，之后保持閥門一定開度，使夾套中液氮保持在滿液位。管道內(nèi)的液體逐漸冷卻，從管壁向內(nèi)結(jié)冰，直至形成冰塞。揮發(fā)的氮?dú)鈴谋麏A套上部2個(gè)排氣口排到大氣。液氮溫度很低，可用于直徑較大（2”-16”）的管道

4、上制做冰塞。(2) 干冰法：利用干冰制做冰塞的方法：如圖二，將干冰夾套綁扎于工藝管道上，打開鋼瓶閥門，在干冰夾套中形成足量干冰，關(guān)閉鋼瓶閥門。適度擠壓，保證干冰與管道接觸良好。氣化的CO2從干冰夾套和管道的間隙跑出。根據(jù)消耗情況及時(shí)補(bǔ)充干冰，直至形成冰塞。干冰法通常用在直徑較?。?”）的管道和管子。2.1 制做冰塞的先決條件在系統(tǒng)管道上制做冰塞，必須滿足以下3個(gè)先決條件：1） 系統(tǒng)介質(zhì)溫度低于55。系統(tǒng)介質(zhì)溫度高，制做冰塞的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度梯度，管道上產(chǎn)生較高的應(yīng)力。因此，管道溫度必須降低，以避免管道應(yīng)力過(guò)大。2） 管道內(nèi)流體的流量必須為零或接近為零（直徑為3”的管道，流量0.01升/秒

5、）。管道流量高于以上規(guī)定時(shí)，就很難形成冰塞。此流量看似很低，但隨著冰塞的逐步形成，冰凍處流通截面會(huì)減少而使流速增加。過(guò)高流速的沖刷將阻止冰塞的形成。3） 管道內(nèi)需充滿水。對(duì)于一段氣體管道，如環(huán)隙氣體系統(tǒng)中的管道，需要冷凍時(shí)，管道內(nèi)必須充滿水。2.2 材料的低溫脆性根據(jù)試驗(yàn)，用干冰制做冰塞，冰塞處管道外表面溫度會(huì)降低到-40左右；而用液氮和雙層夾套制做冰塞時(shí)，冰塞處管道外表面的溫度通常會(huì)降低到近-120；液氮和單層夾套制做冰塞時(shí)，管道溫度會(huì)降至很低，接近液氮溫度。因此制做冰塞時(shí)，需特別注意的材料的低溫脆性。脆性金屬材料，主要是碳鋼，還有400系列的鐵素體不銹鋼。300系列奧氏體不銹鋼，如不銹鋼3

6、04L、316和鋁、鎳等則是塑性材料。2.3 冰塞的形成過(guò)程將夾套固定在管道上合適的位置，夾套中注入冷卻劑后，管道內(nèi)的液體介質(zhì)開始冷卻，從管壁向內(nèi)逐漸結(jié)冰，冰塞形成過(guò)程如圖四。圖四 冰塞形成過(guò)程示意圖隨著冰塞的厚度慢慢增長(zhǎng)。這時(shí)考慮以下兩種情況：1） 水不流動(dòng)狀態(tài)：水變成冰后體積增加，管道內(nèi)水和冰的總體積會(huì)增加，如果不能將所增加體積的水排掉，管道內(nèi)的壓力會(huì)上升。如果壓力上升過(guò)大，則有損壞管道的可能，必須采取措施排除掉增加體積的水。2） 水在流動(dòng)狀態(tài)：隨著冰塞的厚度的增加，管道中心的流通截面減少。等量的水通過(guò)較小流通截面時(shí)，流速就會(huì)增加。A1A2S2S1QA1×S1A2×S2

7、Q質(zhì)量流量A流通截面積S流速隨著管壁內(nèi)冰厚度的增加，流通截面積變小，水的流速增加，沖刷更為嚴(yán)重。所以管道中心部分冰塞形成的時(shí)間較長(zhǎng)。這也是流動(dòng)的水實(shí)際上是不可能形成冰塞的。最后形成了兩端各帶一個(gè)水腔的圓柱形冰塞（圖五）。徑向截面看上去象一個(gè)沙漏。夾套外側(cè)的管道也得到冷卻，結(jié)果形成了一個(gè)比夾套稍長(zhǎng)的冰塞。冰塞夾套冰塞冰塞端部圖五 冰塞形狀2.4 冰塞制做設(shè)備2.4.1 用干冰制做冰塞的設(shè)備干冰制備冰塞的設(shè)備包括干冰夾套（圖五）、軟管、接頭和液態(tài)二氧化碳瓶。干冰夾套用綁帶將干冰夾套管固定在管道上，每個(gè)干冰夾套有一個(gè)或多個(gè)連接液態(tài)二氧化碳瓶的接口。將液態(tài)二氧化碳注入到干冰夾套中，液態(tài)二氧化碳在大氣壓

8、下形成干冰。2.4.2 用液氮制做冰塞的設(shè)備圖五 干冰夾套液氮制備冰塞的設(shè)備主要包括夾套、液氮管、接頭和液氮瓶。夾套常用不銹鋼來(lái)制造。圖六 液氮雙層夾套2.5 冰塞解凍通常，在停止液氮或液態(tài)二氧化碳供應(yīng)后，冰塞逐漸自然融化，從管道上脫離。對(duì)于用液氮在碳鋼管道上制作冰塞，一直要等到冰塞夾套及其液氮管升溫后，才能予以拆除，以防止損壞管道，因?yàn)樵谶@之前管道仍有可能處于低溫脆性狀態(tài)。如果使用碳鋼夾套，也要等到夾套升溫后，才能拆除，以免損壞夾套。3.0 應(yīng)力分析冰塞在管道內(nèi)形成以后，冰塞與管道封閉端，或2段冰塞之間會(huì)形成一個(gè)封閉空間，當(dāng)一定量的水變成冰后，管道的受力情況會(huì)發(fā)生一些變化。1） 壓力引起的應(yīng)

9、力：由于水幾乎是不可壓縮的，當(dāng)冰塞與管道封閉端之間或2個(gè)冰塞之間（形成封閉的一段空間）的距離比較短時(shí)，結(jié)冰引起的體積增大會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生很高的壓力，甚至可能引起管道破裂。顯然，管道內(nèi)冰塞體積越大，增加應(yīng)力也越大；管道封閉端的長(zhǎng)度越小，管道內(nèi)增加的壓力越大；管道的直徑越小，管道內(nèi)增加的壓力越大。2） 熱應(yīng)力：溫度梯度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力越大。3） 殘余應(yīng)力：在焊縫處或一個(gè)三通附近，可能存在殘余應(yīng)力區(qū)。如果管材屬于低溫脆性材料，則管道在冷卻時(shí)，殘余應(yīng)力將會(huì)增加，可能引起管道裂紋擴(kuò)展。4） 沖擊引起的應(yīng)力：有些材料屬于低溫脆性材料，在低溫下，沖擊會(huì)局部上產(chǎn)生引起管道損壞甚至破裂的高應(yīng)力。5） 軸向應(yīng)力：冷卻

10、時(shí)，管道收縮將使管道承受軸向應(yīng)力。如果，管道布置過(guò)于剛性，此軸向應(yīng)力將起到一個(gè)杠桿的作用，把此應(yīng)力轉(zhuǎn)移到別處，可能引起其它地方管道損壞。4.0 夾套和位置的選擇選取合適的夾套和合適的位置來(lái)制做冰塞，以保證冰塞、管道和設(shè)備的安全，這是對(duì)冰塞和管道的最好保護(hù)。4.1 選擇夾套單層夾套制做冰塞時(shí)，傳熱效率高，形成冰塞的時(shí)間短，溫差應(yīng)力較大，此外管道溫度會(huì)降至接近液氮溫度，故對(duì)碳鋼管道要慎用。雙層夾套由于在管道和夾套之間有密封材料，傳熱效率比單層夾套低，形成冰塞的時(shí)間長(zhǎng)，但管道溫度不會(huì)降至很低。目前，在秦山三期重水堆核電站里，核島很多系統(tǒng)是碳鋼管道，應(yīng)采用雙層夾套來(lái)制做冰塞。短夾套制做冰塞時(shí)，形成冰塞

11、時(shí)間較長(zhǎng)，但膨脹增加體積小，管道封閉端壓力升高不如長(zhǎng)夾套高。長(zhǎng)夾套制做冰塞時(shí)，冰塞中含水的危險(xiǎn)性會(huì)比短夾套制做的冰塞高，冰塞形成時(shí)間短，膨脹增加水壓縮較多，在相同長(zhǎng)度封閉端內(nèi)壓力的升高要比用短夾套高。4.2 選擇位置冰塞的位置要根據(jù)實(shí)際情況而定，可以在需要隔離設(shè)備的一端、或兩端形成冰塞進(jìn)行隔離；也可以一端用隔離閥隔離，另一端用冰塞隔離。冰塞位置選取的基本原則：1） 附近沒(méi)有焊縫，最好距離焊縫1.5m以上，若不能滿足這個(gè)要求，則必須在制做冰塞前對(duì)這些焊縫進(jìn)行體積檢查，以確保它們沒(méi)有可導(dǎo)致管道破壞的缺陷。2） 避開靠近彎頭、三通或設(shè)備，冰塞夾套或干冰夾套端口距彎頭、三通或設(shè)備的距離應(yīng)超過(guò)2倍的管徑

12、。3） 對(duì)受到剛性約束的管道，冰塞和剛性約束的距離要不小于3米。4） 避免因結(jié)冰膨脹所擠出的水被封閉形成封閉端。5） 在冰塞位置附近有逆止閥時(shí)，需特別關(guān)注是否會(huì)形成封閉端。6） 冰堵處必須存在直管段5.0 冰塞形成的探測(cè)手段判定管道內(nèi)要制做的冰塞是否完全形成，主要使用以下幾種探測(cè)方法：1） 單側(cè)壓力法：對(duì)于每種管徑，形成冰塞所需的時(shí)間可以事先通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)架上大體確定。在工藝管道上檢測(cè)冰塞是否形成時(shí)，可在冰塞的一側(cè)（有接口）打壓。假如該段管道內(nèi)的壓力隨打入的介質(zhì)量而增加，就表示冰塞已經(jīng)形成。2） 疏水法：a) 完全疏水：根據(jù)形成冰塞所需的試驗(yàn)時(shí)間，等待更長(zhǎng)的一段時(shí)間，嘗試對(duì)管道進(jìn)行疏水。若可以完

13、全疏水，則表示要制做的冰塞已形成。b) 部分疏水：這適用于冰塞一側(cè)具備判斷液位變化手段的情況。例如，檢修液體注射停堆系統(tǒng)（2#停堆系統(tǒng)）毒物箱出口隔離閥時(shí)，必須在隔離閥和排管容器之間制做冰塞，為了判斷冰塞形成與否，疏排掉毒物箱的少量重水，如果液位不上升，則表明冰塞形成。如果冰塞沒(méi)有形成，則排管容器的重水會(huì)流回毒物箱，液位會(huì)迅速回到原來(lái)位置。3） 超聲波探測(cè)法：（不常用）通過(guò)超聲波儀器能探測(cè)出管道內(nèi)冰、冰水和水的分界地方，從而判斷出管道內(nèi)冰塞的形狀和長(zhǎng)度。4） 觀察結(jié)霜法：（常用）利用液氮制做冰塞時(shí)，夾套兩端的管道表面溫度很低，通常會(huì)達(dá)到-60，如果環(huán)境空氣的不是很干燥，在此低溫下，空氣中的水份

14、很快就會(huì)結(jié)霜；此外，試驗(yàn)證明用液氮制做冰塞時(shí)，冰塞夾套兩端管道上的結(jié)霜長(zhǎng)度略長(zhǎng)于管道內(nèi)冰塞的長(zhǎng)度，故夾套兩端的結(jié)霜可以作為冰塞形成的標(biāo)志。如果環(huán)境空氣很干燥，可在夾套兩端的管道上等距離放置浸濕的紙條，或者在附近噴水做好是霧狀，以增加周圍空氣濕度。（實(shí)際效果有待驗(yàn)證）5） 管壁溫度：（不常用）這種方法是根據(jù)冰塞在試驗(yàn)臺(tái)架上試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的溫度分布結(jié)果來(lái)判斷冰塞的形成情況。熱電偶布置在冰塞試驗(yàn)時(shí)測(cè)量溫度的地方。這種方法用于較大管徑的管道上。6.0 冰堵的風(fēng)險(xiǎn)危害及預(yù)防措施6.1 冰塞的風(fēng)險(xiǎn)冰堵存在兩種風(fēng)險(xiǎn)：冰堵失效或管道破裂。它們所產(chǎn)生的主要結(jié)果相同：?jiǎn)适аb量和污染，以及隨之而來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。1） 喪失

15、裝量：當(dāng)系統(tǒng)作為一個(gè)熱阱時(shí)，系統(tǒng)失去裝量是很嚴(yán)重的事件，甚至是危險(xiǎn)的，如：主熱傳輸系統(tǒng)。2） 污染：主熱傳輸、慢化劑等重水系統(tǒng)通過(guò)破口泄漏，那么，除在泄漏的重水中含有放射性物質(zhì)外，重水中的氚還會(huì)造成空氣的污染。輕水系統(tǒng)泄漏，這些系統(tǒng)中的水處理化學(xué)添加物，如聯(lián)氨，也會(huì)造成大氣污染。3） 經(jīng)濟(jì)及其它方面：系統(tǒng)充水、重做冰塞或檢修管道所耗費(fèi)時(shí)間。大量昂貴重水的損失?？諝膺M(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)：其中的氧會(huì)引起腐蝕，空氣中的氬40經(jīng)過(guò)輻射后會(huì)產(chǎn)生活化產(chǎn)物氬41。6.2 冰堵失效的原因及應(yīng)對(duì)措施冰堵失效是指冰塞不能和管道保持緊密結(jié)合，不能承受壓力，不能保持密封性。冰塞失效的跡象是管道變暖和工作過(guò)程中系統(tǒng)裝量的流失。冰

16、塞失效可能的原因是：液氮或干冰供應(yīng)不足、附近有熱源（如焊接）、干冰和管道接觸不好。這時(shí)，必須檢查液氮瓶的裝量是否足夠，液氮供應(yīng)管線是否破裂或泄漏，附近是否有熱源（如焊接作業(yè)）等；如果是干冰，必須檢查干冰夾套中干冰是否不足，干冰是否和管道接觸緊密（干冰夾套是否已經(jīng)松動(dòng)）。實(shí)踐證明迅速補(bǔ)充液氮、補(bǔ)充并拍實(shí)干冰使之和管道緊密接觸能迅速有效地阻止冰塞的初始失效。因此，為了確保冰塞的形成和保持，必須保證以下幾點(diǎn)要求：1） 足夠的液氮供應(yīng)。不但要有足夠的液氮形成冰塞，而且在整個(gè)保持期間也必須有足夠的液氮供應(yīng)。這對(duì)大管徑管道十分重要，因其液氮的消耗速率較大。在液氮用完之前更換新的瓶，以維持冰塞。2） 足夠的液態(tài)二氧化碳供應(yīng)。3） 干冰和管道的良好接觸。4） 冰塞附近沒(méi)有熱源，冰塞必須遠(yuǎn)離任何焊接操作以避免融化。5） 在整個(gè)冰堵過(guò)程中，禁止嚴(yán)重敲擊、振動(dòng)管道，周圍盡量減少