堆顶排气管异物导致流阻偏大问题的分析及处理

张 华

(上海核工程研究设计院有限公司，上海200233)

反应堆压力容器(RV)堆顶排气管在正常工况下执行反应堆的充水排气功能，并在事故工况下执行应急下泄/排气的安全相关功能。堆顶排气管流道试验的主要目的是验证堆顶排气管的流动阻力(简称流阻)大小，确认其排放能力满足设计要求。AP1000依托项目某机组堆顶排气管流道试验中，按照试验流程获取相关数据后，经计算得到流阻大于设计要求。本文主要对该机组堆顶排气管流阻偏大问题的分析及处理过程进行了总结，并作了相应的经验反馈。

1 系统及试验概述

堆顶排气管主要由两段构成：一段管线从反应堆压力容器顶盖的顶部引出，主要布置在反应堆压力容器一体化顶盖(IHP)上，随着一体化顶盖整体移动；另一段固定布置在靠近蒸汽发生器(SG)A侧隔间的墙体上，管线上有4个用于控制顶盖排气的电磁阀，并按A/C、B/D分两列并联布置，管线末端去往安全壳内置换料水箱(IRWST)。当一体化顶盖在反应堆压力容器上安装就位后，两段管线经跨接短管连接在一起。堆顶排气管主要组成及布置情况如图1所示。

堆顶排气管流道试验需要一回路在带压状态，通常在一回路水压试验前执行。试验前，在堆顶排气管末端安装临时压力表用于测量出口压力，在堆顶排气管适当位置安装临时超声波流量计用于测量流量，监测一回路压力作为堆顶排气管入口压力。在一回路水实体带压状态下，通过打开堆顶排气隔离阀A/C(或B/D)，建立从RV顶盖去往IRWST的流道，待流量稳定后，监测并记录堆顶排气管的出、入口压力和流量，根据测得的数据计算出堆顶排气管的流阻。

AP1000依托项目某机组堆顶排气管流道试验中，测得通过A/C列流阻约为5.6 m/(m3/h)2，通过B/D列流阻约为5.2 m/(m3/h)2，均大于验收准则流阻不大于3.82 m/(m3/h)2的要求。

图1 堆顶排气管流道试验示意图Fig.1 Diagram of reactor vessel head vent line flow resistance flow resistance test

2 分析及处理过程

2.1 系统安装及临措检查

按照先易后难的原则，调试人员首先对系统安装及临措进行了排查。

(1)检查仪表：对试验相关的所有压力表和流量计进行了排查，确认仪器、仪表均无异常，收集的试验数据可信。

(2)检查限流孔板：对两个限流孔板的型号、安装方向、垫片尺寸以及安装对中情况等逐一进行了检查，确认孔板及垫片与设计一致，安装正确。

(3)检查电磁阀：对四个堆顶排气隔离电磁阀检查，确认电磁阀动作灵活，开、关位置正常。

(4)检查跨接短管：检查跨接短管法兰安装对中情况，并拆卸抽真空短管检查垫片尺寸型号及短管内径尺寸。经检查，短管对中安装正确，管道内径和垫片尺寸均正常，对流道无影响。

(5)检查焊缝余高：拆除抽真空短管时，从法兰口目测发现焊缝余高凸起明显，最大焊缝余高凸起估测约为2.6 mm。经查阅ASME设计规范，该焊缝余高在设计允许范围内，设计人员评估后也确认对流道影响不大。进一步查阅相关施工质量记录文件，确认所有焊缝均满足规范要求。

(6)检查管道壁厚：使用测厚仪对堆顶排气管所有管道壁厚进行测量，结果显示管道壁厚均满足设计规范要求。同时，对相邻机组的壁厚也进行了测量，对比显示二者相同位置的壁厚基本一致。

以上检查均未发现导致流阻偏大的原因。

2.2 分段流道试验排查

为缩小排查范围，调试人员采用了分段流道试验的方法，以确定导致流阻偏大的管段，便于开展更有针对性的排查。根据堆顶排气管的组成和布置特点，将堆顶排气管分成跨接短管至IRWST管段和跨接短管至RV顶盖管段分别进行流道试验。

(1)跨接短管至IRWST管段流道试验

如图2所示，在与跨接短管对接的法兰处安装带有临时压力表的临时装置，使用临时软管将壳内除盐水从临时装置接口处引入，建立去往IRWST方向的堆顶排气管段流道，测量并记录测量出、入口压力及流量。

图2 跨接短管至IRWST管段流道试验示意图Fig.2 Flow test diagram from jumper pipe to IRWST

根据试验数据计算得到通过AC列和BD列的流阻分别为1.64 m/(m3/h)2和0.96 m/(m3/h)2，与两列各自的理论设计流阻值基本吻合，因此初步排除该段管线对总体流阻的影响。

(2)跨接短管至RV顶盖管段流道试验。

如图3所示，在与跨接短管对接的法兰处安装带有临时压力表的临时装置，使用临时软管将除盐水从临时装置接口处引入，建立从跨接短管端去往RV顶盖的堆顶排气管流道，该流道的流向与正常流向相反。试验在RV开盖后一体化顶盖置于存放架时执行，为避免跑水，试验时在RV顶盖内出水口下方放置临时水桶，并在桶内安装临时潜水泵将水及时排出。

图3 跨接短管至RV顶盖管段流道试验示意图Fig.3 Flow test diagram from jumper pipe to RV head

试验初期流量在2.1 m3/h左右，进行约4 min后流量突然增大并稳定在6.1 m3/h。根据试验数据计算，最初流量在2.1 m3/h时的流阻为4.4 m/(m3/h)2左右，远大于该段管线的理论设计值，流量增大至6.1 m3/h后的流阻值为0.62 m/(m3/h)2，与该段管线的理论设计值基本一致。

综合分析分段流道试验情况，基本可以判定导致堆顶排气管流阻偏大的主要问题在跨接短管至RV顶盖管段。进一步分析跨接短管至RV顶盖管段流道试验过程和结果，可以推测为异物卡在管道内导致流阻偏大，在分段流道试验中经反向水流冲击后，卡在管内的异物被冲出或改变方位，从而不再影响流阻。

由于异物的形状、大小、材质等特性均未知，试验后也未在临时桶内发现任何可疑物体，因此，异物既可能已冲出并被排水泵抽走，也可能仍滞留在管道内，只是改变了方位。如果异物只是改变方位并滞留在管道内，不仅会影响后续试验，也将对机组运行造成严重的安全隐患，因此，必须继续对跨接短管至RV顶盖管段进行彻底的排查，以消除隐患。

2.3 跨接短管至RV顶盖管段异物排查

跨接短管至RV顶盖的堆顶排气管均布置在一体化顶盖上，管线总长约为11 m，管径均为1英寸，全程共10个弯头，管线布置情况如图4所示。由于管道细长，只能选用内窥镜对管道内部进行目视检查。但因管径小、弯头多，受内窥镜插入管柔性限制，无论从上部法兰口插入还是下部RV顶盖内插入，内窥镜探头最多只能自然推进到第三个弯头附近，中间的大部分管道无法观测到。

图4 跨接短管至RV顶盖管道布置图Fig.4 Pipe layout diagram from Jumper pipe to RV Head

为解决内窥镜探头无法深入管内的问题，调试人员创造性的使用了压空吹动小球穿绳的方法。如图5所示，将细绳一端系在小球上，使用压缩空气吹动小球带着细绳从上部法兰穿过堆顶排气管，然后用细绳捆住内窥镜探头，通过回拉细绳牵引内窥镜探头缓慢通过管道和弯头，从而克服内窥镜插入管柔软无法连续通过多个弯头的问题，实现对整个顶盖侧堆顶排气管段的内部检查。

图5 压空吹动小球带绳穿管示意图Fig.5 Diagram of the ball passing through the pipe

但该方法也存在一定风险，主要是细绳牵引内窥镜时，如果用力过大，可能导致内窥镜探头断裂并卡在管内成为新的异物。为降低风险，调试人员按照与堆顶排气管完全相同的管道材质、管径大小、施工工艺以及布置方式，以1∶1的比例制作了一段临时管道。通过在临时管道上反复测试和演练，确认该方法具备可行性和安全性。

按此方法，调试人员顺利使用内窥镜完成了管道内部检查，确认管道内已无异物。

3 结论与总结

经过排查与分析，最终确认导致堆顶排气管流道试验中流阻偏大的主要原因是跨接短管至RV顶盖管段内存在异物，且异物在分段流道试验排查过程中已被反向水流冲出。

在分析处理过程中，调试人员按照先易后难、缩小范围、集中排查的思路，采取了一系列行之有效的办法，提高了排查效率。部分思路和方法在处理类似问题时可作为借鉴使用：

(1)在初步检查未找到导致流阻偏大的问题根源后，采取分段流道试验的方法，确定了存在问题的管段，从而缩小了排查的范围，便于后续采取更有针对性的排查措施。

(2)在无法直接使用内窥镜对管径小、弯头多的堆顶排气管内部全程进行异物检查后，采用压空吹动小球带着细绳穿过管线的方法，再使用细绳牵引内窥镜探头完成了对整个管线的检查。

(3)充分考虑使用细绳牵引内窥镜探头穿过细管和弯头时探头可能断裂并卡在堆顶排气管内的风险，通过制作与正式管线完全相同的临时管线对方案进行验证，确保了内窥镜检查的可行性和安全性。