中国核工业第五建设有限公司 上海金山 201512
摘要：核电厂在运行过程中会遇到一些故障，无法进行隔离，冰塞技术的一应能够帮助故障部位进行隔离并检修。本文分析了冰塞技术的原理以及常用方法，并对冰塞技术实施过程中的一些关键因素进行了介绍，以期促进冰塞技术在核电厂中的应用与发展。
关键词：冰塞技术；核电厂；应用；分析
核电站系统为我国的供电做出了巨大的贡献，促进了国民经济的不断增长。但是在日常运行中，核电站系统如果出现故障，就会影响整个发电系统。对于核电厂的系统故障有时需要隔离检修，而有些故障通过运行手段无法进行隔离，或者隔离检修过程中可能会释放大量的放射性物质，对周围的机组设备等产生影响，甚至威胁到人的身体健康。此时，可以应用冰塞技术，实现在系统介质不排空的前提下，对设备实施隔离。冰塞技术虽然在国外已在使用，但在国内也只有少数核电厂使用，如秦山、田湾、福清等。
一、冰塞方法介绍
1.1冰塞技术原理
冰塞技术是指，核电厂的设备如一些管道上，装上特殊的冷冻夹套，运用一些冷冻方法，液氮冷冻或干冰冷冻。以液氮法为例，液氮是氮气在零下180℃的低温下液化的液体，常压下，它可以使得管道等在很短的时间内实现冷冻降温的目的，只需要调节冷冻夹套，调节液氮的蒸发速度，就能够实现对管道内液体介质的温度控制，介质降温变成“冰塞”。这种情况下，介质冷冻形成的冰塞能够经得住系统隔离的压差。其原理是，冷冻状态下，管道从内壁开始逐渐结冰，最后会形成一个长度为管道直径大概3倍的冰塞，这一段长度的冰塞能够经得住冰塞两侧的压差，从而形成一种暂时隔离的状态。一般情况下，冰塞常用的冷冻介质主要有：液氮、干冰、氟利昂等。冰塞技术要素有4项：一是冷冻夹套，二是冷冻介质，三是专用工具，四是操作技术。只有这四项共同起作用，才能达到实现冰塞技术的应用，四者相辅相成，相互协调，相互补充的。
1.2冰塞冷冻过程
金属冰塞的冷冻分为四个阶段，即冰塞的制作、形成后的判断、冰塞的维持、冰塞的解冻。其中，冰塞的形成阶段以及维持阶段是整个技术的关键。一般来说，核电厂的故障维修中，最常用的冰塞冷冻介质为液态二氧化碳以及液氮，主要原因在于这二者挥发之后无毒，不会对周围的机组、环境以及技术人员造成任何伤害。其中，二氧化碳在零下78℃转化成液化状态，氮气在低于零下180℃成为液氮，所以用于大口径管道的冰塞制备，可以采用液氮作为冷冻介质。
一般来说，液态二氧化碳的输送，容器选择液态储罐，输送液体的工具选择高压软管和收集干冰的布袋。对于液态二氧化碳形成冰塞技术的应用中，管道的冷冻方法为：首先，在管道温度低于30℃时，向收集干冰的布袋输送少量的液态二氧化碳，对布袋进行预冷，之后布袋内充满一半以上的液态二氧化碳之后，可以对管道进行包裹，此时就可以停止向布袋输送二氧化碳，利用液态二氧化碳升华过程中的吸热，对管道进行冷冻。之后随着二氧化碳的减少，管道逐渐回温，当管道的温度高于零下10℃时，继续向布袋内输送二氧化碳，就这样一直循环，可以在管道内形成冰塞。
液氮冷冻法，是通过液氮杜瓦瓶进行储存，使用过程中通过两段低压输送金属软管输送至液氮夹套中。因此液氮冷冻法主要应用到的装备有：低压输送金属软管、液氮杜瓦瓶储罐、自制液氮冰塞夹套、热电阻测温仪。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆之后冷冻过程与二氧化碳的原理相似，通过液氮挥发时的吸热，对管道进行降温。液氮冷冻系统连接组装完毕之后，将杜瓦瓶液向液氮夹套输送，一段时间后，夹套内的液氮充满整个夹套的三分之二，停止输送液氮。通过热电阻测温仪对管道的管壁温度进行实时监测，冰塞形成过程中，要确保管壁温度在零下80℃以下，待冰塞形成之后，只需确保管壁温度能够维持在零下30℃之下即可维持。
1.3液态二氧化碳与液氮冷冻方法的比较
首先，根据两者液化的温度来比较，液态二氧化碳的冷冻能力要远弱于液氮，且在对管道的冷冻以及形成冰塞的实践上都比较长，冷冻介质的使用量大，因此，液态二氧化碳不适用于管径较大的管道的冷冻。但是液态二氧化碳的储存设备以及运输设备都相对于液氮来说较为简单，液氮的储存需要专用的液氮储罐，安装复杂，设备较大。并且，液态二氧化碳的温度相对于液氮要低很多，所以对管道实施冷冻过程中，管道的温度不会过低，因此危险性要相对较小。而液氮对管道的冷冻温度能够达到零下80摄氏度，安全性能受到一定的影响。
从金相分析，碳钢管的冰塞部位与远离冰塞部位的显微组织无明显差别；不锈钢管的冰塞部位与远离冰塞部位的显微组织也无明显差别。所以核电现场冰塞试验对碳钢管及不锈钢管的显微组织无明显影响。对比两种冷冻介质冷冻后的管道材质，形成冰塞前后，在冰塞位置和远离冰塞位置的管道材质进行金相检测，发现其结构、属性以及显微组织结构等没有发生变化。碳钢均为铁素体加珠光体组织，不锈钢均为奥氏体组织。碳钢管和不锈钢管的冰塞部位的强度略高于远离冰塞部位的强度，但断后伸长率变化不大。
二、冰塞实施过程
选取合适的夹套和合适的位置来制作冰塞，是冰塞成功实施的关键技术。
2.1夹套选择
夹套分为单层夹套与双层夹套。单层夹套的优点在于对管道的冷冻时间短，热效率高，可以在较短时间内形成冰塞，且管道的温度能够接近于液氮的温度。因此一些材料在进行冰塞技术时，要慎重选择单层夹套。比如碳钢管道。双层夹套是在管道与夹套之间有密封材料，因此热传效率要远低于单层夹套，形成冰塞的时间也会相应的延长，但是能够对管道等形成一定的保护作用。但是双层夹套的膨胀增加体积变小。
2.2冰塞位置选择
冰塞的位置选择也是技术的关键，一般要根据实际情况而定。可以需要在隔离设备两端形成冰塞进行隔离。冰塞位置的选择，一般遵循以下几个原则：冰塞形成的位置没有焊缝，并且要距离焊缝两米以上的距离，因为焊缝很可能在形成冰塞的过程中出现断裂等问题，影响管道的质量。或者，在制作冰塞以前对管道进行检查，确保管道没有缺陷。另外，冰塞要尽量避开靠近弯头、三通或设备，冰塞夹套或干冰夹套端13距弯头、三通或设备的距离应超过2倍的管径。除此之外，对受到刚性约束的管道．冰塞和刚性约束的距离要不小于3m。
三、结束语
综上所述，冰塞技术在核电厂中主要应用到故障检修中，帮助核电厂的设备正常运行。冰塞技术常用的方法有干冰法、液氮法等，在实际应用过程中要根据不同的检修设备、不同的设备规格，合理选择冰塞方法。并且要掌握冰塞实施过程中的关键技术，确保冰塞的制作与维持。
参考文献：
[1]朱友学.冰塞技术在核电厂的应用[J].黑龙江科学，2015（11）
[2]王军，章宝平，陈胖胖，刘涛.封冻期冰塞堆积演变的试验研究[J].水利学报，2016（05）
论文作者:杜敬平
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第18期
论文发表时间:2018/1/30
标签：液氮论文; 管道论文; 核电厂论文; 液态论文; 技术论文; 二氧化论文; 介质论文; 《建筑科技》2017年第18期论文;