冰堵培訓教材

1、冰堵培訓教材冰堵培訓教材目 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冰塞的形成過程22.5冰塞解凍43.0應力分析44.0夾套和位置的選擇54.1選擇夾套54.2選擇位置55.0冰塞形成的探測手段66.0冰堵的風險危害及預防措施76.1冰堵的風險76.2冰堵失效的原因及應對措施76.3管道破裂的原因及應對措施71.0 冰堵的必要性在核電廠或化工工藝系統(tǒng)（介質為液態(tài)）中，設備出現(xiàn)故障需維修或更換，必須對系統(tǒng)進行隔離，而該系統(tǒng)的相關部分無隔離設備，或隔離設備不可用，或隔離設備本身需要維修等，造成系統(tǒng)不能隔離；同時，由于安

2、全（例如，作為反應堆熱阱的主熱傳輸系統(tǒng)在任何時候必須充滿水）和經濟（系統(tǒng)介質量大、疏排和充裝時間長；重水降級，放射性外逸）上的原因，介質疏排難度大或難于滿足運行要求，這種情況下，采用冰塞來進行系統(tǒng)隔離是一種可行的方法，即：利用冷卻劑（液氮或干冰等）對需要隔離的系統(tǒng)管道進行局部冷卻，使該管段內的液態(tài)介質結冰，形成一段能承受相當高壓力的冰塞，從而實現(xiàn)系統(tǒng)隔離的目的。同時，可以避免了整個系統(tǒng)的停運或疏排，避免了重水系統(tǒng)重水的降級，以及放射性物質的外逸等。因此，具備冰堵的能力對堆核電站的安全運行和經濟性有重大的意義。2.0 冰塞制做冰塞是管道內的一段冰凍的液體，通過低溫冷卻劑冷卻管道內介質來制做。冰塞

3、形成后能承載相當高的壓力，甚至能承受超過管道的破裂壓力。根據(jù)實驗得知，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?shù)奈恢?，當液氮供應閥打開時，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。管道內的液體逐漸冷卻，從管壁向內結冰，直至形成冰塞。揮發(fā)的氮氣從冰塞夾套上部2個排氣口排到大氣。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)消耗情況及時補充干冰，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個先決條件：1） 系統(tǒng)介質溫度低于55。系統(tǒng)介質溫度高，制做冰塞的過程中會產生較高的溫度梯度，管道上產生較高的應力。因此，管道溫度必須降低，以避免管道應力過大。2） 管道內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，就很難形成冰塞。此流量看似很低，但隨著冰塞的逐步形成，冰凍處流通截面會減少而使流速增加。過高流速的沖刷將阻止冰塞的形成。3） 管道內需充滿水。對于一段氣體管道，如環(huán)隙氣體系統(tǒng)中的管道，需要冷凍時，管道內必須充滿水。2.2 材料的低溫脆性根據(jù)試驗，用干冰制做冰塞，冰塞處管道外表面溫度會降低到-40左右；而用液氮和雙層夾套制做冰塞時，冰塞處管道外表面的溫度通常會降低到近-120；液氮和單層夾套制做冰塞時，管道溫度會降至很低，接近液氮溫度。因此制做冰塞時，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，管道內的液體介質開始冷卻，從管壁向內逐漸結冰，冰塞形成過程如圖四。圖四 冰塞形成過程示意圖隨著冰塞的厚度慢慢增長。這時考慮以下兩種情況：1） 水不流動狀態(tài)：水變成冰后體積增加，管道內水和冰的總體積會增加，如果不能將所增加體積的水排掉，管道內的壓力會上升。如果壓力上升過大，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。等量的水通過較小流通截面時，流速就會增加。A1A2S2S1QA1×S1A2×S2

7、Q質量流量A流通截面積S流速隨著管壁內冰厚度的增加，流通截面積變小，水的流速增加，沖刷更為嚴重。所以管道中心部分冰塞形成的時間較長。這也是流動的水實際上是不可能形成冰塞的。最后形成了兩端各帶一個水腔的圓柱形冰塞（圖五）。徑向截面看上去象一個沙漏。夾套外側的管道也得到冷卻，結果形成了一個比夾套稍長的冰塞。冰塞夾套冰塞冰塞端部圖五 冰塞形狀2.4 冰塞制做設備2.4.1 用干冰制做冰塞的設備干冰制備冰塞的設備包括干冰夾套（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，每個干冰夾套有一個或多個連接液態(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備圖五 干冰夾套液氮制備冰塞的設備主要包括夾套、液氮管、接頭和液氮瓶。夾套常用不銹鋼來制造。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)二氧化碳供應后，冰塞逐漸自然融化，從管道上脫離。對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，因為在這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 應力分析冰塞在管道內形成以后，冰塞與管道封閉端，或2段冰塞之間會形成一個封閉空間，當一定量的水變成冰后，管道的受力情況會發(fā)生一些變化。1） 壓力引起的應

9、力：由于水幾乎是不可壓縮的，當冰塞與管道封閉端之間或2個冰塞之間（形成封閉的一段空間）的距離比較短時，結冰引起的體積增大會對管道產生很高的壓力，甚至可能引起管道破裂。顯然，管道內冰塞體積越大，增加應力也越大；管道封閉端的長度越小，管道內增加的壓力越大；管道的直徑越小，管道內增加的壓力越大。2） 熱應力：溫度梯度越大，產生的應力越大。3） 殘余應力：在焊縫處或一個三通附近，可能存在殘余應力區(qū)。如果管材屬于低溫脆性材料，則管道在冷卻時，殘余應力將會增加，可能引起管道裂紋擴展。4） 沖擊引起的應力：有些材料屬于低溫脆性材料，在低溫下，沖擊會局部上產生引起管道損壞甚至破裂的高應力。5） 軸向應力：冷卻

10、時，管道收縮將使管道承受軸向應力。如果，管道布置過于剛性，此軸向應力將起到一個杠桿的作用，把此應力轉移到別處，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制做冰塞，以保證冰塞、管道和設備的安全，這是對冰塞和管道的最好保護。4.1 選擇夾套單層夾套制做冰塞時，傳熱效率高，形成冰塞的時間短，溫差應力較大，此外管道溫度會降至接近液氮溫度，故對碳鋼管道要慎用。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，形成冰塞的時間長，但管道溫度不會降至很低。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，應采用雙層夾套來制做冰塞。短夾套制做冰塞時，形成冰塞

11、時間較長，但膨脹增加體積小，管道封閉端壓力升高不如長夾套高。長夾套制做冰塞時，冰塞中含水的危險性會比短夾套制做的冰塞高，冰塞形成時間短，膨脹增加水壓縮較多，在相同長度封閉端內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)實際情況而定，可以在需要隔離設備的一端、或兩端形成冰塞進行隔離；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） 附近沒有焊縫，最好距離焊縫1.5m以上，若不能滿足這個要求，則必須在制做冰塞前對這些焊縫進行體積檢查，以確保它們沒有可導致管道破壞的缺陷。2） 避開靠近彎頭、三通或設備，冰塞夾套或干冰夾套端口距彎頭、三通或設備的距離應超過2倍的管徑

12、。3） 對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，需特別關注是否會形成封閉端。6） 冰堵處必須存在直管段5.0 冰塞形成的探測手段判定管道內要制做的冰塞是否完全形成，主要使用以下幾種探測方法：1） 單側壓力法：對于每種管徑，形成冰塞所需的時間可以事先通過在試驗臺架上大體確定。在工藝管道上檢測冰塞是否形成時，可在冰塞的一側（有接口）打壓。假如該段管道內的壓力隨打入的介質量而增加，就表示冰塞已經形成。2） 疏水法：a) 完全疏水：根據(jù)形成冰塞所需的試驗時間，等待更長的一段時間，嘗試對管道進行疏水。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，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。如果冰塞沒有形成，則排管容器的重水會流回毒物箱，液位會迅速回到原來位置。3） 超聲波探測法：（不常用）通過超聲波儀器能探測出管道內冰、冰水和水的分界地方，從而判斷出管道內冰塞的形狀和長度。4） 觀察結霜法：（常用）利用液氮制做冰塞時，夾套兩端的管道表面溫度很低，通常會達到-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、很快就會結霜；此外，試驗證明用液氮制做冰塞時，冰塞夾套兩端管道上的結霜長度略長于管道內冰塞的長度，故夾套兩端的結霜可以作為冰塞形成的標志。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。（實際效果有待驗證）5） 管壁溫度：（不常用）這種方法是根據(jù)冰塞在試驗臺架上試驗時測量的溫度分布結果來判斷冰塞的形成情況。熱電偶布置在冰塞試驗時測量溫度的地方。這種方法用于較大管徑的管道上。6.0 冰堵的風險危害及預防措施6.1 冰塞的風險冰堵存在兩種風險：冰堵失效或管道破裂。它們所產生的主要結果相同：喪失裝量和污染，以及隨之而來的經濟損失。1） 喪失

15、裝量：當系統(tǒng)作為一個熱阱時，系統(tǒng)失去裝量是很嚴重的事件，甚至是危險的，如：主熱傳輸系統(tǒng)。2） 污染：主熱傳輸、慢化劑等重水系統(tǒng)通過破口泄漏，那么，除在泄漏的重水中含有放射性物質外，重水中的氚還會造成空氣的污染。輕水系統(tǒng)泄漏，這些系統(tǒng)中的水處理化學添加物，如聯(lián)氨，也會造成大氣污染。3） 經濟及其它方面：系統(tǒng)充水、重做冰塞或檢修管道所耗費時間。大量昂貴重水的損失?？諝膺M入系統(tǒng)內：其中的氧會引起腐蝕，空氣中的氬40經過輻射后會產生活化產物氬41。6.2 冰堵失效的原因及應對措施冰堵失效是指冰塞不能和管道保持緊密結合，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：液氮或干冰供應不足、附近有熱源（如焊接）、干冰和管道接觸不好。這時，必須檢查液氮瓶的裝量是否足夠，液氮供應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（干冰夾套是否已經松動）。實踐證明迅速補充液氮、補充并拍實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，必須保證以下幾點要求：1） 足夠的液氮供應。不但要有足夠的液氮形成冰塞，而且在整個保持期間也必須有足夠的液氮供應。這對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。3） 干冰和管道的良好接觸。4） 冰塞附近沒有熱源，冰塞必須遠離任何焊接操作以避免融化。5） 在整個冰堵過程中，禁止嚴重敲擊、振動管道，周圍盡量減少