核電站蒸汽發生器二次側清洗技術

熊前山1，劉一博1，賀小明1，陶子航1，賀鈺林

(1.核動力運行研究所，湖北 武漢 430223;2.福建福清核電有限公司，福建 福州 350318)

目前，國內集中于研究蒸汽發生器二次側管板的水力沖洗，并通過對沖洗后管板疏水烘干進行視頻檢查來評估運行過程中蒸汽發生器的清潔度狀況。事實上，對傳熱管進行渦流檢查獲得的泥渣分布數據表明，管板上的泥渣量占蒸汽發生器二次側泥渣總量的值不足5%[1]。相比之下，國外電力公司研究并實施驗證推出化學清洗、鼓泡清洗與機械清洗的多種組合工藝，為推進國內核電站蒸汽發生器二次側清洗提供了理論依據和實踐驗證。

我國第一批核電站現階段面臨延壽或者退役，如果選擇延壽，那么保持核電站蒸汽發生器清潔度優異對提高核電站發電效率起著重要作用。為此，田灣核電站在《蒸汽發生器運行手冊》中說明，每臺蒸汽發生器清洗的周期采用每4年1次，并由俄羅斯設計院推薦了化學清洗的工藝配方[2]。此外，國內某些核電站也出現SG污垢系數增大影響核反應堆滿功率運行的情況。由此，對國內外核電站蒸汽發生器清洗工藝對比并進行定性分析具有重要意義。根據國內某核電站大修中對傳熱管全管渦流檢查結果分析，各區域泥渣分布見圖1、表1。

圖1 傳熱管渦流檢查圖像Fig.1 Eddy current inspection imageof the heat transfer tube

表1 各區域泥渣分布比例Table 1 Proportion of mud and slagdistribution in each region

1 機械清洗

隨著核電維修技術的發展，蒸汽發生器機械清洗已成為每次大修期間的主要項目之一。大修中一次合格的機械清洗為蒸汽發生器的正常運行提供了強有力的保障。

國內的機械清洗方式主要有兩種，分別是剛性沖洗和柔性沖洗。剛性沖洗根據電站的類型又可分為懸臂式、導軌式和爬行式3種剛性沖洗。剛性沖洗主要針對蒸汽發生器二次側管板和流量分配板進行松散泥渣的去除。柔性沖洗則通過軟鋼帶伸入到傳熱管的管間進行定點沖洗，目的是去除沉積在管板上的次硬性泥渣和減緩硬性泥渣的增長。機械清洗技術成熟，成本低廉，但對蒸汽發生器二次側沖洗區域有限，并且在涉及的沖洗范圍內也會殘留沖洗死角，提高了管材腐蝕的風險。

2 鼓泡清洗

鼓泡清洗是向蒸汽發生器二次側水中釋放高壓氮氣，當氮氣在水中迅速膨脹時，會引起二次側水的劇烈運動。水的運動、氮氣膨脹產生的壓力波及隨后的水力震蕩，可以使蒸汽發生器傳熱管外表面、支撐板縫隙以及二次側管板上的泥渣發生松動、脫落。這些脫落的泥渣大部分會隨蒸汽發生器二次側水循環系統排出，并沉淀在過濾系統中[3]。

鼓泡清洗系統由三部分組成：鼓泡裝置、控制系統和輔助系統。通過在蒸汽發生器二次側水中釋放高壓氮氣后產生水流運動、傳熱管與支撐板相對運動及兩相流的擾動完成清洗工作。流體的相對運動和氮氣膨脹后氣泡破裂產生壓力波都會對蒸汽發生器內部構件產生載荷沖擊，但美國西屋公司此前曾進行了強度分析、疲勞分析和對降質管的分析，給出了鼓泡清洗對蒸汽發生器內部構件的載荷沖擊引起的應力在許可范圍之內，不會對壓力邊界的完整性造成傷害。

在國內某機組檢修期間，核動力運行研究所參與實施了兩臺蒸汽發生器的鼓泡清洗工作。通過清洗前后對支撐板的視頻檢查，發現清洗前的泥渣在鼓泡清洗后得到很好的清除，鼓泡清洗取得較好的效果。

3 化學清洗

目前，核電站蒸汽發生器化學清洗的方法有3種。分別是SGOG-EPRI化學清洗(SGOG和EPRI是加拿大蒸汽發生器業主集團與電力研究所)、EDF化學清洗(EDF為法國電力公司)及KWU化學清洗(KWU為西門子電站聯盟)。這3種化學清洗方法都進行了實際驗證，并隨著時間的推移，技術愈發成熟，蒸汽發生器的化學清洗效果更好。

SGOG-EPRI化學清洗采用兩個步驟完成蒸汽發生器的清洗工作。首先去除四氧化三鐵，其次清洗銅和氧化物。采用EDTA溶劑，利用不同質量分數的溶劑配合其它化學試劑在pH值與實施溫度限定范圍內，對蒸汽發生器二次側進行全高度或者一定高度的清洗工作。這種化學清洗技術因緩蝕劑中含硫，可能出現腐蝕的危險性(因科鎳管子化學清洗時未出現)。另外，需要分步來溶解氧化鐵和銅，產生大量的排出液和廢液。

KWU化學清洗由高溫去鐵和室溫去銅兩個清洗工藝組成，兩種工藝可單獨使用也可結合使用。除鐵和除銅過程中實施溫度不同，溶劑的質量分數也不同，但清洗過后蒸汽發生器里的殘留溶劑都可以在達到一定溫度時發生分解，并且殘留溶劑對蒸汽發生器沒有損害，伴隨運行過程將會消失。因為實施溫度較高的緣故，化學清洗速度相對較快，縮短了蒸汽發生器的清洗時間。此外，使用溶劑之中未添加緩蝕劑，對蒸汽發生器二次側結構的材料有腐蝕的可能性，應該根據檢測數據嚴格控制浸泡時間。

EDF化學清洗利用含有緩蝕劑的檸檬酸和葡萄酸的混合劑先溶解四氧化三鐵，然后降低溫度，使用除鐵后的溶液再除銅，完成了在同一溶液里除鐵和除銅，產生的排出液和廢液有效減少。但與SGOG-EPRI化學清洗有相同的缺點，化學清洗過程中添加的緩蝕劑含硫，所以需要使用檸檬酸和無硫緩蝕劑來清除殘余硫，增加了工作量。

在國外，化學清洗是蒸汽發生器二次側全范圍清洗的主流方法，并已積累了大量的實施經驗，其中大多數核電站的化學清洗是非常成功的[4]。但國內核電站尚未進行過相關化學清洗的實施工作。

隨著技術的發展，化學清洗已經融合鼓泡清洗成為一種更高效、腐蝕風險更低的清洗技術。將鼓泡清洗使用的除鹽水以化學溶劑代替，利用鼓泡清洗的特點，可以減少化學清洗溶劑的添加量及降低化學清洗實施溫度，成為更符合核電站蒸汽發生器維護保養需求的清洗技術。

4 清洗工藝討論

根據國內核電站的蒸汽發生器維護保養現狀可以看出，每次大修停堆期間均采用單純的機械清洗方式，盡管在蒸汽發生器管板泥渣去除和減緩硬性泥渣增長方面取得不錯成果 ，但是蒸汽發生器二次側的泥渣總量總會逐年增加，而且二回路中的雜質對傳熱管的腐蝕影響愈發嚴重，這也是造成傳熱管堵管工作增加的主要原因之一。

國內各個核電相關單位也在積極尋求適合我國核電站蒸汽發生器的清洗工藝。結合實踐經驗，對國內外主流的三種清洗工藝的分析比較見表2。

表2 清洗工藝分析比較Table 2 Analysis and comparison of cleaning process

5 展望

目前國內蒸汽發生器管板普遍采用的機械清洗方式受限于蒸汽發生器結構，較難應用于傳熱管外表面等上部區域的泥渣清除。國外普遍采用化學清洗的方式進行蒸汽發生器上部構件的泥渣

清除。但由于化學清洗對傳熱管有潛在的腐蝕風險，且化學清洗的大量廢液處理也較為復雜[5-6]，國內核電站均較為謹慎。鼓泡清洗技術對傳熱管沒有潛在的腐蝕風險，在國內更易于推廣實施，但清洗效果較化學清洗略差。

隨著國內核電機組服役年限的增加，蒸汽發生器的全面清洗技術已經是蒸汽發生器狀態維護的關鍵環節。應當加快蒸汽發生器化學清洗、鼓泡清洗技術的相關研究，盡快形成實施能力，保障蒸汽發生器安全、穩定的運行。