蒸汽發(fā)生器傳熱管失效分析及防護措施

左 軍

（大唐陳村水力發(fā)電廠，安徽 宣城 242500）

1 蒸汽發(fā)生器的作用及原理

1.1 蒸汽發(fā)生器在核動力裝置中的地位和作用

核動力裝置是以核裂變能來產(chǎn)生動力的裝置。蒸汽發(fā)生器(SG)是核動力裝置中一個非常重要的熱量交換設(shè)備。蒸汽發(fā)生器在核動力設(shè)備中的作用，如圖1所示。

在反應(yīng)堆中，核裂變產(chǎn)生的熱能傳給冷卻劑(水)。高溫高壓水由主循環(huán)泵送到蒸汽發(fā)生器，在蒸汽發(fā)生器中，傳熱管內(nèi)一回路冷卻劑的熱量，通過管壁傳給管外工質(zhì)(水)，使之預(yù)熱、蒸發(fā)(或預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱)而產(chǎn)生飽和蒸汽(或過熱蒸汽)。品質(zhì)合格的蒸汽送往汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。從整個裝置的工作過程來看，蒸汽發(fā)生器既是一回路設(shè)備，又是二回路設(shè)備，是核動力裝置中一回路和二回路的樞紐。由于一回路冷卻劑流經(jīng)堆芯，冷卻劑中的雜質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物等被輻射會活化，加之會有燃料元件的裂變碎片進入，使得一回路冷卻劑帶有較強的放射性。因此，一回路為帶有放射性的回路。而二回路為非放射性回路。這就對蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、強度、材料抗腐蝕性能、水質(zhì)指標(biāo)、密封性和清潔度等與安全可靠性有關(guān)的因素，提出了很高的要求。蒸汽發(fā)生器如果發(fā)生破損，不但造成放射性污染，而且會造成反應(yīng)堆被迫停堆，影響整個核動力裝置的經(jīng)濟性和安全性。蒸汽發(fā)生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，傳熱管壁厚一般在1～1.5 mm，而它卻承受著一次側(cè)和二次側(cè)之間較大的溫差和很高的壓差產(chǎn)生的應(yīng)力，又經(jīng)受著水力振動、腐蝕以及傳熱管與管板連接部位的集中應(yīng)力等，因此造成蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的概率比較高。蒸汽發(fā)生器傳熱管的可靠性主要取決于傳熱管的完好性[1-2]。只要有一根蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂，就可能造成放射性物質(zhì)的泄漏及反應(yīng)堆停堆。因此，蒸汽發(fā)生器傳熱管的重要性不言而喻。

1.2 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理

在蒸汽發(fā)生器中，水和汽水混合物的循環(huán)不需要外加能量，而是依靠水和汽水混合物的比重差而進行。目前核動力裝置中使用的蒸汽發(fā)生器其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由上封頭、下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件構(gòu)成。通常采用奧氏體不銹鋼、Inconel-600和Incoloy-800作為傳熱管材料。在U形管束上裝設(shè)有支撐板，對管束起支撐和防振作用。在管束周圍裝有套筒，將筒體與管束隔開構(gòu)成上升和下降通道。在管束和套筒上方裝設(shè)汽水分離器，多用旋葉式分離器做粗分離器，用雙層布置帶鉤波形板分離器做細分離器。給水管裝在上筒體下部，由給水接管和環(huán)形給水分配管組成。在管板上方裝設(shè)排污管。運行中進行連續(xù)或定期排污可避免泥渣沉積和腐蝕介質(zhì)在沉積物與傳熱管間的縫隙中濃縮，并防止在傳熱管上結(jié)垢，從而提高傳熱效率。

圖1 壓水堆核動力裝置原理圖Fig.1 Schematic of PWR NPP

圖2 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure of steam generator

1.3 關(guān)注傳熱管失效的必要性

在早期的蒸汽發(fā)生器設(shè)計制造過程中，由于缺乏設(shè)計和運行規(guī)范，便假設(shè)蒸汽發(fā)生器與其他反應(yīng)堆部件具有一樣的壽命。但是反應(yīng)堆的運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器（特別是其中的傳熱管束）由于各種原因容易發(fā)生失效和開裂。有些原因可以歸結(jié)為制造問題，如缺少設(shè)計準(zhǔn)則和分析手段，另外一些是由于使用環(huán)境造成的，如高溫、高壓的水流速和腐蝕元素的濃集等。蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故給核電廠造成嚴(yán)重的后果，它不僅使一次側(cè)系統(tǒng)的冷卻劑裝量減少，而且更重要的是它使二次側(cè)系統(tǒng)的壓力和水位增加，甚至滿溢，使放射性的物質(zhì)排放到周圍環(huán)境中。此外，如果傳熱管破裂還伴隨著其他安全設(shè)施失效，將會造成熔堆。國際原子能機構(gòu)（IAEA）的報告指出，由于蒸汽發(fā)生器破損迫使整個裝置停用，外加高額的維修費和部分蒸汽發(fā)生器的更換費用，造成巨大的經(jīng)濟損失，所以蒸汽發(fā)生器的問題是核工業(yè)的主要問題之一[3]。

蒸汽發(fā)生器的失效主要發(fā)生在傳熱管束。傳熱管是有放射性的一回路系統(tǒng)和無放射性的二回路系統(tǒng)的交界面，它承受著一次側(cè)和二次側(cè)之間較大的溫差和很高的壓差產(chǎn)生的應(yīng)力，又經(jīng)受著水力振動、腐蝕以及傳熱管與管板連接部位的集中應(yīng)力等，因此造成蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故的概率比較高。20世紀(jì)80年代中期，造成傳熱管破損的主要原因之一是二次側(cè)應(yīng)力腐蝕（SCC），這種腐蝕的發(fā)生率相當(dāng)高，并且其腐蝕速率很快，往往需要非計劃停堆來進行檢查和堵管，造成很大的經(jīng)濟損失。

2 影響傳熱管失效的因素

蒸汽發(fā)生器傳熱管開裂最主要的原因之一便是腐蝕開裂（SCC）。應(yīng)力腐蝕開裂是受應(yīng)力的材料在特定的環(huán)境下產(chǎn)生滯后裂紋，甚至發(fā)生滯后開裂的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超過某一臨界值后，材料會在腐蝕并不嚴(yán)重的情況下發(fā)生脆性斷裂。

不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的基本條件是敏感的合金（材料因素)、特定的介質(zhì)（環(huán)境因素）和拉伸應(yīng)力(應(yīng)力因素)。具體講，敏感的合金(材料因素)指具有一定化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的不銹鋼，這種材料在一些介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕敏感，但并不是任何一種不銹鋼，任何條件下均能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。

特定的介質(zhì)（環(huán)境因素）指對于某一敏感合金而言，只有在一些特定的敏感介質(zhì)中才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

拉伸應(yīng)力同樣是應(yīng)力腐蝕的必要條件之一，如果不存在拉伸應(yīng)力，即使存在特定介質(zhì)也不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。從理論上講，壓應(yīng)力是不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的。

2.1 材料因素

能夠產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞的合金，包括鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼鎳基及鐵基耐蝕合金。Cr-Ni不銹鋼一般占不銹鋼產(chǎn)量的70%左右，且應(yīng)用很廣泛。奧氏體不銹鋼是單相固溶體，650 ℃敏化處理后的18-8鋼由于晶界有Cr23C6沉淀，使其鄰近區(qū)域貧鉻而有晶間腐蝕敏感性。不銹鋼中含鎳量的多少對材料抗應(yīng)力腐蝕能力有顯著影響[4]。當(dāng)含鎳量在5%～8%時，破裂敏感性最大。隨含鎳量的提高，材料抗應(yīng)力腐蝕能力不斷增加。含鎳量超過70%的因科鎳材料的抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能大大超過18-8不銹鋼。對于含有鐵素體的鉻鎳不銹鋼，當(dāng)鐵素體含量在一定范圍內(nèi)時，具有較好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

應(yīng)力腐蝕破壞的形貌，不論是穿晶型、晶間型還是二者的混合形態(tài)，其裂紋的主要特點是：在主干裂紋延伸的同時，還有若干分支同時發(fā)展，貌似落葉后的樹枝狀，裂紋的縱深一般比寬度大若干個數(shù)量級。這也是應(yīng)力腐蝕破壞的一個典型特征。不銹鋼產(chǎn)生脆性斷裂前不產(chǎn)生任何明顯的塑性變形且開裂垂直于主應(yīng)力方向。脆性斷口宏觀上為結(jié)晶狀并發(fā)亮，微觀上有解理特征[5]。

2.2 環(huán)境因素

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞的一個主要條件是特定的腐蝕介質(zhì)。為了客觀地確定產(chǎn)生破壞的原因，除了弄清楚敏感材料和應(yīng)力腐蝕裂紋及斷口形貌特征外，還必須對引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)成分和腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進行分析。能夠引起奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的常見介質(zhì)有Cl-、F-、Br-等。并且介質(zhì)濃度越高，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感性越大。

2.2.1 介質(zhì)的pH值影響

當(dāng)前海事測繪部門制作專題海圖主要使用CARIS HPD數(shù)據(jù)庫進行海圖數(shù)據(jù)的存儲和管理工作，使用CARIS PCE進行海圖數(shù)據(jù)的提取和海圖編繪工作，使用CorelDRAW、Illustrator等軟件進行專題海圖的整飾工作。

大多數(shù)研究表明，在高溫水中奧氏體不銹鋼在pH值為6～7時對氯離子應(yīng)力腐蝕最為敏感。且隨著介質(zhì)pH值的增加，18-8不銹鋼在高溫水中對氯離子應(yīng)力腐蝕破裂敏感性顯著下降。這是因為在高pH值介質(zhì)中，存在著大量OH-離子，它阻礙了氯離子接近金屬表面，從而抑制了應(yīng)力腐蝕過程。

2.2.2 氯離子和溶解氧濃度的影響

介質(zhì)中氯離子濃度和溶解氧的濃度是相互影響的一對因素。實驗表明，只要介質(zhì)中氧濃度足夠低，少量氯離子的存在也不足以引起應(yīng)力腐蝕。同樣，只要氯離子濃度足夠低，那么溶解氧的存在也不足以引起破裂[6]。在Cl-濃度較大的溶液中，應(yīng)力腐蝕的陰極反應(yīng)為氫的還原反應(yīng)，因此與溶解氧的關(guān)系不大。但在含Cl-濃度較低的情況下，陽極反應(yīng)為氧去極化反應(yīng)，故應(yīng)力腐蝕受到溶解氧的影響，并隨著氧含量的增加而加快腐蝕。

一般來說，氯離子和溶解氧濃度越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的可能性越大。在核動力裝置中，給水在補充一回路之前是經(jīng)過處理的，其氯離子的含量值小于0.1 mg／L。二回路系統(tǒng)進入蒸汽發(fā)生器的給水絕大部分是汽輪機的凝水，汽輪機凝水中的氯離子濃度不超過0.011 mg／L。凝水與1%～2%凝水量的補水混合，作為給水進入蒸汽發(fā)生器，其氯離子濃度在2 mg／L以下。給水進入蒸汽發(fā)生器以后蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽中攜帶著給水中少量的氯離子離開蒸汽發(fā)生器，留下99.8%以上的氯離子。顯然這些剩下的氯離子便在蒸汽發(fā)生器中積累起來，致使?fàn)t水中的氯離子濃度大大高于給水。

2.3 應(yīng)力因素

結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)力的存在，是應(yīng)力腐蝕的必要條件之一。而且，只有拉應(yīng)力才可能引起破裂，當(dāng)材料只受壓力時，不可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。隨著應(yīng)力的增加，不銹鋼發(fā)生破裂的敏感性增大，發(fā)生破裂速度隨著增加。當(dāng)應(yīng)力小于某一數(shù)值時，應(yīng)力腐蝕破裂不會發(fā)生，這一值稱為臨界應(yīng)力。它隨介質(zhì)種類、雜質(zhì)濃度、溫度、pH值及不銹鋼的成分不同而變化。

2.3.1 應(yīng)力來源

不銹鋼設(shè)備和構(gòu)件，在使用和運行過程中，一方面要與各種腐蝕性介質(zhì)相接觸，同時，又承受各種不同的應(yīng)力。這些應(yīng)力當(dāng)中既有靜止的、交變的、內(nèi)在的，也有外加的。引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力主要有：1）工作應(yīng)力，即設(shè)備和部件在工作條件下所承受的外加載荷；2）殘余應(yīng)力，是不銹鋼在生產(chǎn)過程和設(shè)備加工制造過程中，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力；3）熱應(yīng)力，即由溫差及結(jié)構(gòu)條件而引起的應(yīng)力；4）結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是由于設(shè)備、部件的安裝和裝配而引起的應(yīng)力。以上四種應(yīng)力，只要導(dǎo)致設(shè)備部件受拉，在腐蝕介質(zhì)的共同作用下，就會導(dǎo)致材料的應(yīng)力腐蝕。其中，工作應(yīng)力、熱應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力都是不可避免的，而殘余應(yīng)力應(yīng)盡量予以消除。

2.3.2 應(yīng)力影響

1）破壞鈍化膜。在應(yīng)力作用下，不銹鋼會產(chǎn)生滑移而使鈍化膜破裂并暴露出新的裸金屬。同時，應(yīng)力的存在還能阻止鈍化膜的再形成。

2）加速OH-的吸附。隨著Cr-Ni奧氏體不銹鋼所受應(yīng)力的增加，表面的OH-吸附量會增加。試驗證明應(yīng)力增加，OH-吸附速度加快且數(shù)量增加，因而，應(yīng)力腐蝕敏感性提高。

3）加速陽極溶解過程。在不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端，若應(yīng)力集中足夠大，合金可被機械拉開，或者裂紋尖端產(chǎn)生塑性形變，從而在沒有保護膜以及應(yīng)力不斷破壞裂紋尖端鈍化膜的情況下，使不銹鋼的腐蝕溶解過程加速。

3 傳熱管失效防護措施

通過對奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕機理的分析，針對蒸汽發(fā)生器的運行特點，提出以下改進防護措施。

3.1 傳熱管材料

奧氏體不銹鋼具有良好的耐均勻腐蝕性和工藝性能，但是在使用過程中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕、點蝕及晶間腐蝕，因此需要采取措施提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能。調(diào)整奧氏體不銹鋼的合金成分可以提高材料的耐腐蝕性能。由于應(yīng)力腐蝕是從表面開始的，而且只有在拉應(yīng)力的作用下才會發(fā)生，因此可以通過對管表面進行鈍化處理，以造成具有一定厚度的鈍化膜；進行電解拋光，以增加表面光潔度等方法減小應(yīng)力腐蝕的可能性。

3.2 蒸汽發(fā)生器的設(shè)計與制造

蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕破裂大部分與蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此要想有效地防止傳熱管破裂事故的發(fā)生，必須有合理的蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計。可從以下幾個方面來提高設(shè)計的可靠性。

1）消除管子與管板接頭的開式縫隙，防止腐蝕性雜質(zhì)滲入管子與管板結(jié)合區(qū)。縫隙區(qū)域由于介質(zhì)流動不暢，腐蝕性雜質(zhì)容易在此集聚。正常運行時少量的水可能進入管板縫隙中，由于管板溫度較高，水會汽化，當(dāng)負(fù)荷變化或停閉時，縫隙區(qū)又會處于水相。這種時而水相，時而汽相的干濕交替，促使腐蝕性雜質(zhì)在縫隙區(qū)管子表面濃縮，導(dǎo)致管子發(fā)生應(yīng)力腐蝕。一般采用的方法是將管子沿管板厚度全長進行脹接。

2）消除管板滯流區(qū)和排除泥渣堆積。當(dāng)循環(huán)水在管板上表面進入管束時，由于沖刷不力在管板表面會形成滯流區(qū)，使泥渣在該區(qū)堆積。泥渣疏松多孔，含有多種腐蝕雜質(zhì)，加上導(dǎo)熱性較差，使局部熱負(fù)荷下降，埋在泥渣中的管段承受較高的熱應(yīng)力。因此，大部分的應(yīng)力腐蝕發(fā)生在熱負(fù)荷較高的管束熱端。因此，在蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)中要裝設(shè)流量分配擋板等對排污管進行改進。

3）盡量減小管束應(yīng)力。承受拉應(yīng)力是傳熱管產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件，因此傳熱管從制造、加工，到安裝、運行的各個環(huán)節(jié)，都應(yīng)當(dāng)采取措施來消除任何可能引起應(yīng)力的各種因素，特別要避免應(yīng)力集中。適當(dāng)增加最小彎管直徑，可以減小應(yīng)力集中。

3.3 二次側(cè)水質(zhì)控制

防止蒸汽發(fā)生器傳熱管的應(yīng)力腐蝕，運行中控制水質(zhì)指標(biāo)是很重要的。控制運行水質(zhì)應(yīng)重點控制二回路側(cè)爐水中的水質(zhì)，因為爐水中雜質(zhì)聚集使管壁結(jié)垢，垢下爐水的濃縮引起傳熱管的應(yīng)力腐蝕。進入蒸汽發(fā)生器的雜質(zhì)如氯、溶解氧、OH-等應(yīng)控制在盡可能低的水平。控制水質(zhì)的方法宜采用全揮發(fā)水處理方法。其主要特點是所添加的化學(xué)藥物在蒸汽發(fā)生器運行參數(shù)下是全揮發(fā)的，不會出現(xiàn)局部濃縮。同時應(yīng)盡量防止雜質(zhì)進入系統(tǒng)和盡量降低系統(tǒng)中的雜質(zhì)。防止雜質(zhì)進入系統(tǒng)包括嚴(yán)格控制化學(xué)添加物的質(zhì)量、嚴(yán)格控制補給水的質(zhì)量、防止凝汽器泄漏和減少由于凝結(jié)水除鹽裝置運行而造成的負(fù)面影響。降低系統(tǒng)中的雜質(zhì)主要通過啟停堆時的化學(xué)控制和通過凝結(jié)水除鹽凈化床來完成。

3.4 定期清洗

隨著核電站運行時間的增加，清除管板上沉積的泥渣相當(dāng)重要。停堆時利用泥渣槍來清除，同時要配合采用化學(xué)清洗劑來解決。化學(xué)清洗劑的選用不但要考慮對沉積物和污垢有較高的溶解性，還要考慮對蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)件材料的腐蝕速率要低。

3.5 定期在役檢查

在停堆檢修期間利用無損檢測方法對蒸汽發(fā)生器傳熱管進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并采取必要的補救措施，防止核泄漏事故的發(fā)生，這樣可以避免或減少計劃外停堆。

4 結(jié)論

隨著核能在各領(lǐng)域的廣泛運用，核動力裝置的安全性和經(jīng)濟性得到越來越多的關(guān)注。蒸汽發(fā)生器是核動力裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它對整個核動力裝置的性能和安全可靠性有著重大的影響。實際使用情況也表明，傳熱管是整個蒸汽發(fā)生器內(nèi)的“事故多發(fā)地”。

雖然近些年專家學(xué)者在蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能、制造工藝、維護保養(yǎng)等方面做了大量工作，但是仍然存在不少問題，傳熱管破裂事故也時有發(fā)生。隨著一、二回路水質(zhì)指標(biāo)的提高和處理方法的改進，腐蝕問題將會不斷得到改進。同時開展蒸汽發(fā)生器維護和修理措施的研究也迫在眉睫。相信在不遠的將來，通過廣大研究人員的努力，核動力裝置的可靠性、安全性和經(jīng)濟性將會全面提高，核能的利用將會迎來一個輝煌的明天。

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