冰堵培训教材.docx

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冰堵培训教材

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1.0冰堵的必要性1

2.0冰塞制做1

2.1制做冰塞的常用方法1

2.2制做冰塞的先决条件2

2.3材料的低温脆性2

2.4冰塞的形成过程2

2.5冰塞解冻4

3.0应力分析4

4.0夹套和位置的选择5

4.1选择夹套5

4.2选择位置5

5.0冰塞形成的探测手段6

6.0冰堵的风险危害及预防措施7

6.1冰堵的风险7

6.2冰堵失效的原因及应对措施7

6.3管道破裂的原因及应对措施7

1.0冰堵的必要性

在核电厂或化工工艺系统（介质为液态）中，设备出现故障需维修或更换，必须对系统进行隔离，而该系统的相关部分无隔离设备，或隔离设备不可用，或隔离设备本身需要维修等，造成系统不能隔离；同时，由于安全（例如，作为反应堆热阱的主热传输系统在任何时候必须充满水）和经济（系统介质量大、疏排和充装时间长；重水降级，放射性外逸）上的原因，介质疏排难度大或难于满足运行要求，这种情况下，采用冰塞来进行系统隔离是一种可行的方法，即：

利用冷却剂（液氮或干冰等）对需要隔离的系统管道进行局部冷却，使该管段内的液态介质结冰，形成一段能承受相当高压力的冰塞，从而实现系统隔离的目的。

同时，可以避免了整个系统的停运或疏排，避免了重水系统重水的降级，以及放射性物质的外逸等。

因此，具备冰堵的能力对堆核电站的安全运行和经济性有重大的意义。

2.0冰塞制做

冰塞是管道内的一段冰冻的液体，通过低温冷却剂冷却管道内介质来制做。

冰塞形成后能承载相当高的压力，甚至能承受超过管道的破裂压力。

根据实验得知，完整的冰塞至少能承受10以上的压力。

液氮和液态二氧化碳都是理想的冷却剂。

液氮的蒸发温度为-196℃；液态二氧化碳在常温常压下形成干冰，干冰的升华温度为-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：

图一是利用液氮制做冰塞的典型做法。

将冰塞夹套固定于工艺管道适当的位置，当液氮供应阀打开时，液氮充满夹套，之后保持阀门一定开度，使夹套中液氮保持在满液位。

管道内的液体逐渐冷却，从管壁向内结冰，直至形成冰塞。

挥发的氮气从冰塞夹套上部2个排气口排到大气。

液氮温度很低，可用于直径较大（2”-16”）的管道上制做冰塞。

（2）干冰法：

利用干冰制做冰塞的方法：

如图二，将干冰夹套绑扎于工艺管道上，打开钢瓶阀门，在干冰夹套中形成足量干冰，关闭钢瓶阀门。

适度挤压，保证干冰与管道接触良好。

气化的2从干冰夹套和管道的间隙跑出。

根据消耗情况及时补充干冰，直至形成冰塞。

干冰法通常用在直径较小（≤2”）的管道和管子。

2.1制做冰塞的先决条件

在系统管道上制做冰塞，必须满足以下3个先决条件：

1）系统介质温度低于55℃。

系统介质温度高，制做冰塞的过程中会产生较高的温度梯度，管道上产生较高的应力。

因此，管道温度必须降低，以避免管道应力过大。

2）管道内流体的流量必须为零或接近为零（直径为3”的管道，流量＜0.01升/秒）。

管道流量高于以上规定时，就很难形成冰塞。

此流量看似很低，但随着冰塞的逐步形成，冰冻处流通截面会减少而使流速增加。

过高流速的冲刷将阻止冰塞的形成。

3）管道内需充满水。

对于一段气体管道，如环隙气体系统中的管道，需要冷冻时，管道内必须充满水。

2.2材料的低温脆性

根据试验，用干冰制做冰塞，冰塞处管道外表面温度会降低到-40℃左右；而用液氮和双层夹套制做冰塞时，冰塞处管道外表面的温度通常会降低到近-120℃；液氮和单层夹套制做冰塞时，管道温度会降至很低，接近液氮温度。

因此制做冰塞时，需特别注意的材料的低温脆性。

脆性金属材料，主要是碳钢，还有400系列的铁素体不锈钢。

300系列奥氏体不锈钢，如不锈钢304L、316和铝、镍等则是塑性材料。

2.3冰塞的形成过程

将夹套固定在管道上合适的位置，夹套中注入冷却剂后，管道内的液体介质开始冷却，从管壁向内逐渐结冰，冰塞形成过程如图四。

随着冰塞的厚度慢慢增长。

这时考虑以下两种情况：

1）水不流动状态：

水变成冰后体积增加，管道内水和冰的总体积会增加，如果不能将所增加体积的水排掉，管道内的压力会上升。

如果压力上升过大，则有损坏管道的可能，必须采取措施排除掉增加体积的水。

2）水在流动状态：

随着冰塞的厚度的增加，管道中心的流通截面减少。

等量的水通过较小流通截面时，流速就会增加。

Q＝A1×S1＝A2×S2

Q—质量流量

A－流通截面积

S—流速

随着管壁内冰厚度的增加，流通截面积变小，水的流速增加，冲刷更为严重。

所以管道中心部分冰塞形成的时间较长。

这也是流动的水实际上是不可能形成冰塞的。

最后形成了两端各带一个水腔的圆柱形冰塞（图五）。

径向截面看上去象一个沙漏。

夹套外侧的管道也得到冷却，结果形成了一个比夹套稍长的冰塞。

2.4冰塞制做设备

用干冰制做冰塞的设备

干冰制备冰塞的设备包括干冰夹套（图五）、软管、接头和液态二氧化碳瓶。

干冰夹套用绑带将干冰夹套管固定在管道上，每个干冰夹套有一个或多个连接液态二氧化碳瓶的接口。

将液态二氧化碳注入到干冰夹套中，液态二氧化碳在大气压下形成干冰。

用液氮制做冰塞的设备

液氮制备冰塞的设备主要包括夹套、液氮管、接头和液氮瓶。

夹套常用不锈钢来制造。

2.5冰塞解冻

通常，在停止液氮或液态二氧化碳供应后，冰塞逐渐自然融化，从管道上脱离。

对于用液氮在碳钢管道上制作冰塞，一直要等到冰塞夹套及其液氮管升温后，才能予以拆除，以防止损坏管道，因为在这之前管道仍有可能处于低温脆性状态。

如果使用碳钢夹套，也要等到夹套升温后，才能拆除，以免损坏夹套。

3.0应力分析

冰塞在管道内形成以后，冰塞与管道封闭端，或2段冰塞之间会形成一个封闭空间，当一定量的水变成冰后，管道的受力情况会发生一些变化。

1）压力引起的应力：

由于水几乎是不可压缩的，当冰塞与管道封闭端之间或2个冰塞之间（形成封闭的一段空间）的距离比较短时，结冰引起的体积增大会对管道产生很高的压力，甚至可能引起管道破裂。

显然，管道内冰塞体积越大，增加应力也越大；管道封闭端的长度越小，管道内增加的压力越大；管道的直径越小，管道内增加的压力越大。

2）热应力：

温度梯度越大，产生的应力越大。

3）残余应力：

在焊缝处或一个三通附近，可能存在残余应力区。

如果管材属于低温脆性材料，则管道在冷却时，残余应力将会增加，可能引起管道裂纹扩展。

4）冲击引起的应力：

有些材料属于低温脆性材料，在低温下，冲击会局部上产生引起管道损坏甚至破裂的高应力。

5）轴向应力：

冷却时，管道收缩将使管道承受轴向应力。

如果，管道布置过于刚性，此轴向应力将起到一个杠杆的作用，把此应力转移到别处，可能引起其它地方管道损坏。

4.0夹套和位置的选择

选取合适的夹套和合适的位置来制做冰塞，以保证冰塞、管道和设备的安全，这是对冰塞和管道的最好保护。

4.1选择夹套

单层夹套制做冰塞时，传热效率高，形成冰塞的时间短，温差应力较大，此外管道温度会降至接近液氮温度，故对碳钢管道要慎用。

双层夹套由于在管道和夹套之间有密封材料，传热效率比单层夹套低，形成冰塞的时间长，但管道温度不会降至很低。

目前，在秦山三期重水堆核电站里，核岛很多系统是碳钢管道，应采用双层夹套来制做冰塞。

短夹套制做冰塞时，形成冰塞时间较长，但膨胀增加体积小，管道封闭端压力升高不如长夹套高。

长夹套制做冰塞时，冰塞中含水的危险性会比短夹套制做的冰塞高，冰塞形成时间短，膨胀增加水压缩较多，在相同长度封闭端内压力的升高要比用短夹套高。

4.2选择位置

冰塞的位置要根据实际情况而定，可以在需要隔离设备的一端、或两端形成冰塞进行隔离；也可以一端用隔离阀隔离，另一端用冰塞隔离。

冰塞位置选取的基本原则：

1）附近没有焊缝，最好距离焊缝1.5m以上，若不能满足这个要求，则必须在制做冰塞前对这些焊缝进行体积检查，以确保它们没有可导致管道破坏的缺陷。

2）避开靠近弯头、三通或设备，冰塞夹套或干冰夹套端口距弯头、三通或设备的距离应超过2倍的管径。

3）对受到刚性约束的管道，冰塞和刚性约束的距离要不小于3米。

4）避免因结冰膨胀所挤出的水被封闭形成封闭端。

5）在冰塞位置附近有逆止阀时，需特别关注是否会形成封闭端。

6）冰堵处必须存在直管段

5.0冰塞形成的探测手段

判定管道内要制做的冰塞是否完全形成，主要使用以下几种探测方法：

1）单侧压力法：

对于每种管径，形成冰塞所需的时间可以事先通过在试验台架上大体确定。

在工艺管道上检测冰塞是否形成时，可在冰塞的一侧（有接口）打压。

假如该段管道内的压力随打入的介质量而增加，就表示冰塞已经形成。

2）疏水法：

a）完全疏水：

根据形成冰塞所需的试验时间，等待更长的一段时间，尝试对管道进行疏水。

若可以完全疏水，则表示要制做的冰塞已形成。

b）部分疏水：

这适用于冰塞一侧具备判断液位变化手段的情况。

例如，检修液体注射停堆系统（2#停堆系统）毒物箱出口隔离阀时，必须在隔离阀和排管容器之间制做冰塞，为了判断冰塞形成与否，疏排掉毒物箱的少量重水，如果液位不上升，则表明冰塞形成。

如果冰塞没有形成，则排管容器的重水会流回毒物箱，液位会迅速回到原来位置。

3）超声波探测法：

（不常用）

通过超声波仪器能探测出管道内冰、冰水和水的分界地方，从而判断出管道内冰塞的形状和长度。

4）观察结霜法：

（常用）

利用液氮制做冰塞时，夹套两端的管道表面温度很低，通常会达到-60℃，如果环境空气的不是很干燥，在此低温下，空气中的水份很快就会结霜；此外，试验证明用液氮制做冰塞时，冰塞夹套两端管道上的结霜长度略长于管道内冰塞的长度，故夹套两端的结霜可以作为冰塞形成的标志。

如果环境空气很干燥，可在夹套两端的管道上等距离放置浸湿的纸条，或者在附近喷水做好是雾状，以增加周围空气湿度。

（实际效果有待验证）

5）管壁温度：

（不常用）

这种方法是根据冰塞在试验台架上试验时测量的温度分布结果来判断冰塞的形成情况。

热电偶布置在冰塞试验时测量温度的地方。

这种方法用于较大管径的管道上。

6.0冰堵的风险危害及预防措施

6.1冰塞的风险

冰堵存在两种风险：

冰堵失效或管道破裂。

它们所产生的主要结果相同：

丧失装量和污染，以及随之而来的经济损失。

1）丧失装量：

当系统作为一个热阱时，系统失去装量是很严重的事件，甚至是危险的，如：

主热传输系统。

2）污染：

主热传输、慢化剂等重水系统通过破口泄漏，那么，除在泄漏的重水中含有放射性物质外，重水中的氚还会造成空气的污染。

轻水系统泄漏，这些系统中的水处理化学添加物，如联氨，也会造成大气污染。

3）经济及其它方面：

系统充水、重做冰塞或检修管道所耗费时间。

大量昂贵重水的损失。

空气进入系统内：

其中的氧会引起腐蚀，空气中的氩40经过辐射后会产生活化产物氩41。

6.2冰堵失效的原因及应对措施

冰堵失效是指冰塞不能和管道保持紧密结合，不能承受压力，不能保持密封性。

冰塞失效的迹象是管道变暖和工作过程中系统装量的流失。

冰塞失效可能的原因是：

液氮或干冰供应不足、附近有热源（如焊接）、干冰和管道接触不好。

这时，必须检查液氮瓶的装量是否足够，液氮供应管线是否破裂或泄漏，附近是否有热源（如焊接作业）等；如果是干冰，必须检查干冰夹套中干冰是否不足，干冰是否和管道接触紧密（干冰夹套是否已经松动）。

实践证明迅速补充液氮、补充并拍实干冰使之和管道紧密接触能迅速有效地阻止冰塞的初始失效。

因此，为了确保冰塞的形成和保持，必须保证以下几点要求：

1）足够的液氮供应。

不但要有足够的液氮形成冰塞，而且在整个保持期间也必须有足够的液氮供应。

这对大管径管道十分重要，因其液氮的消耗速率较大。

在液氮用完之前更换新的瓶，以维持冰塞。

2）足够的液态二氧化碳供应。

3）干冰和管道的良好接触。

4）冰塞附近没有热源，冰塞必须远离任何焊接操作以避免融化。

5）在整个冰堵过程中，禁止严重敲击、振动管道，周围尽量减少带振动作业。

6.3管道破裂的原因及应对措施

造成管道破裂的原因主要有以下几种：

冰塞形成后，体积增加，导致管道内超压而引起的管道破裂；冰塞附近管道遭受冲击、管道超载或刚性约束过大；焊缝存在缺陷，导致裂纹扩展；冷冻速率过大，导致高的热应力。

相应的应对措施有：

1）避免形成高压：

避免将水封闭在一小段管道内。

2）避免冲击：

特别是碳钢，要对管道进行预冷的过程。

在用液氮制做冰塞时，碳钢管道若受到冲击，易引起破裂。

3）远离焊缝和管件：

如果无法避免，则首先进行焊缝的体积检查：

检查有否产生裂缝的缺陷。