臥式蒸汽發生器傳熱管的腐蝕機理及緩解措施

(中國核電江蘇核電有限公司，連云港222042)

蒸汽發生器(SG)傳熱管屬于壓水堆核電站一回路的承壓邊界，同時也是阻止放射性物質向環境釋放的第二道重要屏障。然而，傳熱管是一回路壓力邊界中最為薄弱的環節,傳熱管泄漏事件約占放射性物質泄漏事件的75%。且SG傳熱管的設計裕量有限，當傳熱管的堵管數到一定量時，會影響反應堆的熱工水力性能和二回路的蒸汽品質。因此，保障SG傳熱管的可靠運行對整個電站的安全運行是非常重要的。

截至2005年，西方設計的壓水堆(PWR)機組中，約有200個SG進行了更換(475個SG在運)。俄羅斯設計的WWER機組，104個在運蒸汽發生器(ПГВ-1000)中有40個進行了更換。運行經驗表明，決定ПГВ-1000蒸汽發生器(簡稱ПГВ-1000)使用壽命的主要因素是傳熱管的完整性。在1999—2009年間，共有6臺ПГВ-1000因此被更換(注：其中包括南烏克蘭核電站2臺SG因化學沖洗不當加速了傳熱管腐蝕而被更換)。

為此，各國對在役SG傳熱管的腐蝕問題進行了大量的研究，并及時運用這些研究成果來提高SG的可靠運行。美國和德國通過改變二回路設計并改變其水化學工況，采用更抗腐蝕的材料(Inconel 690TT和Inconel-800NG)以及改變傳熱管的制造工藝等來增加立式SG傳熱管的抗腐蝕能力。俄羅斯則根據臥式SG自身結構和傳熱管腐蝕特點，通過改善二回路結構設計并優化其水化學工況來改善傳熱管運行環境，必要時進行化學沖洗等來延長傳熱管的使用壽命。本工作主要討論俄羅斯WWER機組中臥式SG傳熱管運行期間的腐蝕機理和二回路側預防措施和緩解措施,以期為國內WWER核電機組或其他設施的同類型設備的運行及壽命管理提供參考。

1 臥式SG的結構及特點

俄羅斯壓水堆核電站目前運行的蒸汽發生器均為臥式蒸汽發生器，主要有ПГВ-440(WWER-440機組)(圖1)和ПГВ-1000(WWER-1000機組)(圖2)二類。其殼體和傳熱管均水平布置，傳熱管材質均為俄羅斯08X18H10T奧氏體不銹鋼，尺寸分別為Ф16 mm×1.4 mm和Ф16 mm×1.5 mm。SG的主要特性參數見表1[1]。

圖1 ПГВ-440的結構圖Fig.1 Structure image of ПГВ -440

圖2 ПГВ-1000的結構圖(不含蒸汽集管)Fig.2 Structure image of ПГВ -1000 (without steam collector)

2 臥式SG傳熱管運行期間的腐蝕機理及腐蝕類型

在機組運行過程中，二回路給水管線和其他管線的腐蝕產物會被帶入SG，隨著SG二次側爐水不斷蒸發，爐水中各種鹽和雜質不斷濃縮，并在傳熱管表面形成沉積物，部分以殘渣形式存在于SG底部和傳熱管支撐板處。

傳熱管上累積的沉積物會導致活性混合物(特別是氯化物)濃縮，這為腐蝕創造了相應的條件。沉積物中混合物濃縮的程度，取決于沉積物厚度和孔隙度，以及傳熱管熱流密度。當混合物的濃度達到一定程度時，發生電化學腐蝕，開始形成點蝕坑，在運行應力和水壓試驗產生的應力作用下，點蝕坑局部會出現應力腐蝕裂紋，進一步可能出現泄漏。低溫狀態下，傳熱管的點蝕形成和發展的電化學過程見圖3；運行狀態下沉積物下點蝕坑形成和發展的電化學過程見圖4。

運行經驗表明：SG傳熱管泄漏與沉積物厚度的增加(傳熱管平均污染比的增加)之間存在明顯關聯。ПГВ-440采用“通道”式布置，流道通暢，而ПГВ-1000為了提高熱交換效率，采用棋盤式布置，相對在傳熱管支撐板的位置易出現沉積物。故ПГВ-1000中傳熱管會在運行期出現急劇變壞現象。而ПГВ-440中傳熱管只在其運行壽期末才可能出現問題。由圖5可見:當傳熱管平均污染物達到150 g/m2時，由于腐蝕而導致堵管的數量明顯增加。

早期，俄羅斯在可檢查中要求任何傳熱管段上允許的沉積物不能夠超過150 g/m2，傳熱管上沉積物主要由鐵和銅的化合物組成，考慮到結垢的危害，電站通過采用對二回路的給水設施和冷凝器等進行改造、優化二回路水化學工況等措施，加強對沉積物的控制。為保證蒸汽發生器可靠運行，后來的WWER機組規定沉積物不得超過100 g/m2。

表1 臥式蒸汽發生器的設計參數Tab.1 Designed parameters of horizontal steam generators

圖3 導致點腐坑形成和發展的電化學過程示意圖(低溫狀態)Fig.3 Schematic diagram of electrochemical processe of pitting formation and development (low temperature state)

臥式SG傳熱管在運行期間出現的主要缺陷類型有電化學腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕，這幾種缺陷也常交叉出現，常見于隔板處和有沉積物堆積的自由端。

普通電化學腐蝕的特征如下：它均勻地分布在管外在表面，腐蝕初期較淺，并不威脅管的完整性；但隨腐蝕時間的延長，它可導致管道壁厚顯著減少，見圖6。

圖4 沉積物下點蝕坑形成和發展的電化學過程示意圖(運行狀態)Fig.4 Schematic diagram of electrochemical processe of pitting formation and development under sludge(during operation)

圖5 ПГВ-1000中傳熱管堵管與表面平均污染比的關系Fig.5 Relation ship between blocking tubs and surface average pollution ratio of heat transfer tube in ПГВ-1000

(a)表面

(b)截面圖6 管道經電化學腐蝕后的表面及截面形貌Fig.6 Surface (a)and cross surface (b)morphology of pipe after electrochemical corrosion

點蝕是臥式SG傳熱管最常見的腐蝕類型，它會出現在傳熱管外壁，傳熱管自由跨度和隔板條下。點蝕可以孤立坑的形式出現，也可在坑群中出現，見圖 7。

(a)表面

(b)截面圖7 點蝕坑的表面及截面形貌Fig.7 Surface (a)and cross section (b)morphology of pitting

通常來說，應力腐蝕開裂是所有腐蝕中最復雜的。應力腐蝕裂紋具有穿晶或沿晶的形態。在多因素(如應力水平、合金成分、微觀結構、引發腐蝕離子濃度、表面粗糙度、微環境表面效應、溫度、電勢能等)綜合作用下，會產生應力腐蝕裂紋，裂紋會進一步生長甚至斷裂。臥式蒸汽發生器傳熱管的應力腐蝕一般均為氯致穿晶應力腐蝕，這類缺陷大部分出現于傳熱管與格架交叉部位，這與腐蝕產物在此處易堆積有關。如：南烏克蘭核電站一根傳熱管出現的應力腐蝕裂紋，見圖8；俄新羅瓦利時核電站440機組在壽期末一根傳熱管出現應力腐蝕裂紋導致爆管，見圖9。

WWER機組中，各種腐蝕經常混合在一起。在大多情況下，若二次側點蝕萌生，在一段時間后，點蝕坑的局部會出現應力裂紋腐蝕。圖10顯示了在點蝕坑處應力腐蝕裂紋的萌生及發展。

截至2010年，俄羅斯對運行的22臺VVER-440機組和28臺機組VVER-1000中的SG堵管數量進行統計，結果表明：ПГВ-440的傳熱管堵管數量低于10 500根，平均每臺堵管數量為70根(1.25%)；ПГВ-1000中約有10 500根傳熱管發生了堵管，平均每臺堵94根傳熱管(0.85%)。

(a)表面

(b)截面圖8 南烏克蘭核電站一根傳熱管出現的應力腐蝕裂紋Fig.8 A heat transfer tube with stress corrosion crack in in south Vkraine NPP：(a)surface;(b)cross surface

圖9 俄新羅瓦利WWER440機組一傳熱管因應力腐蝕裂紋導致爆管Fig.9 A bursting tube due to SCC on WWER-440 unit of Novovoron NPP

(a)萌生

(b)發展圖10 點蝕坑處應力腐蝕裂紋的萌生及發展Fig.10 Initicotion (a)and development (b)of stress corrosion cracks at pitting

3 緩解腐蝕的措施

針對WWER核電機組中傳熱管出現腐蝕的機理和分布特點，俄羅斯及其他國家先后采取措施減少主給水中腐蝕產物濃度和有害離子濃度，從而緩解ПГВ-1000中傳熱管的運行損傷。具體改進措施如下：

1)對SG給水分配系統和排污系統進行改進，避免或減少由SG內局部蒸汽和給水流量的不平衡而導致的蒸發過度集中，在局部出現鹽度過高的“鹽室”。同時對易出現或不可避免會出現“鹽室”的區域進行連續排污和定期排污，控制爐水中的鹽含量(主要是氧化物和硫化學含量)。

2)對WWE-1000機組的凝結水給水系統材料進行升級，采用耐蝕材料。如凝汽器的傳熱管采用鈦管(最早設計為銅管)、低壓加熱器的傳熱管采用不銹鋼傳熱管。這減少了SG二次側氧化銅和Cl離子的含量；同時，冷卻水的吸入量從3.6 L/h減少到 0.04 L/h，符合SG排污水中氯離子、硫酸根和鈉含量不大于20 μg/kg的規定，在pH為9.4～9.8的聯胺-氨水工況下，鐵含量能降到1～2 μg/kg，當二回路采用無銅設計時銅含量很小，趨向于0。

3)二回路冷凝水和主給水系統設備、管道在設計上均采用焊接連接結構，避免由于系統真空而吸入氧氣；同時通過二回路的熱力設備進行物理和熱力除氧除氣后，主給水中氧含量只有10 μg/kg，CO2也得到去除，減少了系統的氧化腐蝕產物。

4)對WWER機組二回路水化學工況不斷優化，從早期的中性水化學工況pH=75±0.2，到弱堿性化學水工況pH=9.0±0.2，堿性化學水工況(如：氨-聯胺)pH=9.4～9.7，主給水中的鐵含量平均值從4.2 μg/L降低到2.0 μg/L。每年減少鐵的沉積物大約70 kg。采用高堿性化學水工況pH=9.7～9.95，二回路鐵含量平均值將進一步減少為1～2.0 μg/L 或更少。

5)機組啟停機時對二回路進行鈍化處理，避免或減緩了停堆期間二回路設備的腐蝕，機組停堆前24～48 h以及汽輪機沖轉24 h內，對二回路凝結水、給水管線進行聯胺鈍化處理，以便在二回路凝結水、給水管線及其他相關熱力設備表面形成、修復、加厚保護膜。

6)機組運行期間加強對二回路和SG排污系統的水化學成分在線監測和檢測，監督二回路的水質變化情況，并嚴格按照要求進行的連續排污和定期排污，保證二次側的鹽度不存在惡化現象。

7)定期進行SG二次側腐蝕狀態(包括沉積物)檢測，同時對沉積物狀態和化學成分進行分析。

8)定期對SG傳熱管進行渦流檢測，了解傳熱管減薄狀態。并對檢測結果、二次側腐蝕狀態、二回路水化學工況、排污系統分析結果等進行綜合分析，并制定合理的傳熱管壽命管理政策。

9)實施機械水力沖洗和化學沖洗。

4 結論

(1)WWER機組臥式SG采用奧氏體不銹鋼傳熱管、二回路的結構和水化學工況優化方案是可行的，可保證SG安全可靠運行；

(2)奧氏體不銹鋼傳熱管運行期間的腐蝕速率與二次側鹽度和沉積物濃縮直接相關，控制傳熱管腐蝕速率需控制主給水的鹽度和氧化物(特別是氧化鐵和氧化銅)含量；

(3)通過二回路結構優化和水化學工況(提升主給水的pH)優化，臥式SG二次側的沉積物形成速度明顯減低，傳熱管的腐蝕速率大大減低；

(4)各機組的二回路和SG有獨自結構、運行工況和水化學工況，二次側沉積物的形成速率和化學成分各不相同，因根據具體情況制定合適的化學沖洗藥劑和沖洗工藝；

(5)跟蹤、分析并運用其他WWER機組和PWR機組的運行經驗和成果，對于臥式SG傳熱管的老化管理是至關重要的。