壓水堆核電機組蒸汽發生器監測鐵傳輸的取樣研究

伊海龍 孫其良 姚雪鴻 熊彬偉 陳紅雨

【摘? 要】國內壓水堆核電機組對蒸汽發生器鐵腐蝕產物傳輸取樣方法大多為抓取取樣。這種取樣方式缺點是代表性不足、靈敏度不夠、受干擾大、錯過機組瞬態變化等，對蒸汽發生器的鐵腐蝕產物傳輸水平監測存在不足。論文主要通過改善樣品代表性和提升靈敏度兩方面，來對取樣方式進行研究。

【Abstract】Most of the transmission sampling methods for iron corrosion products of steam generator in domestic PWR nuclear power units are grab sampling. The disadvantages of this sampling method are insufficient representativeness， insufficient sensitivity， large interference， missing transient changes of the unit， etc.， and the monitoring of the transmission level of iron corrosion products of the steam generator is insufficient. This paper mainly studies the sampling method by improving the sample representativeness and increasing the sensitivity.

【關鍵詞】蒸汽發生器;鐵腐蝕產物;傳輸;代表性;靈敏度

【Keywords】steam generator; iron corrosion product; transmission; representativeness; sensitivity

【中圖分類號】TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0161-03

1 引言

蒸器發生器是核電機組熱交換設備，將一回路的熱量傳遞給二回路給水。為提高傳熱效率，其管壁很薄，其總傳熱面積占一回路承壓邊界總面積的近80%;其單個蒸發器傳熱管超4000根，使用9層隔板固定，這保證了傳熱管的安全性。但其帶來的負面影響是二回路的腐蝕產物進入蒸發器后，會造成在隔板、傳熱管與支撐板縫隙、U型管頂部處積聚，在蒸器發生器的腐蝕產物逐步積累。

由于二回路側的腐蝕產物傳輸到蒸汽發生器的現象不能完全避免，隨著運行壽期的增長沉積在蒸汽發生器內的沉渣量將逐年累積，這種效應必將導致后期需要通過不同手段如高壓水力沖洗或化學清洗來去除蒸發器腐蝕產物，以降低蒸汽發生器的腐蝕，提高其熱傳遞效率。但由于蒸汽發生器內部的腐蝕產物不能通過降負荷或停堆等方式完全去除，為此評估蒸汽發生器的清潔度或蒸汽發生器內部腐蝕產物的累積變得尤為重要。對于獲得有代表性的二回路水體數據和較高靈敏度的基礎數據的需求變得更加迫切。

2 壓水堆核電機組二回路水體中鐵腐蝕產物基本特征

在二回路水系統中，理想狀態下鐵與水體會發生復雜的反應，并產生多種中間態和穩態產物：

①Fe、Fe2+、Fe3+、Fe3O4 （FeO·Fe2O3）、Fe（OH）2、FeO（OH）、Fe（OH）3、Fe2O3

②Spinel oxides： Fe3（x+y）CrxNiyO4

③Ni-ferrite

④Fe-chromite

⑤NiO， Mn-oxides， Cr-oxides， Ag-oxides，etc

其中，離子狀態的鐵腐蝕產物是可采集的，因其在水體中溶解均勻，通過抓取取樣是可準確測量的，但單質鐵及鐵的氧化物（顆粒態），鐵的氫氧化物（有膠體的性質）等產物，在低速取樣管線中，鐵的腐蝕產物容易沉降或沉積吸附，或者兩者都有。

3 取樣方式的現狀

在國內生產實踐中，多數電廠采取日常期間監測二回路主給水總鐵含量，周期每周一次;鐵腐蝕產物在蒸汽發生器排污系統和主給水系統同時取樣，取樣時臨時建立取樣流量，按照周期半年1次，在線過濾累積流量7天的方式取樣。

當前取樣模式存在不足，主要表現在以下兩方面：

①樣品代表性不足：

第一，日常監測未采取蒸汽發生器排污系統和主給水系統同時取樣，無法準確進行鐵傳輸的計算。

第二，主給水系統采樣管線流速低，管線內存在沉積或沉降的現象。

第三，臨時建立取樣流量，采樣管線內表面需重新建立沉積或再釋放的再平衡，仍會導致樣品代表性不足。

②樣品靈敏度不足：

第一，抓取樣品時僅能代表某一時刻的系統狀態，缺少對瞬態變化的監督。

第二，短周期取樣且頻率較低時，會由于顆粒態鐵的腐蝕產物在傳輸過程的隨機性，導致水體分析測量數據波動較大，使測量結果偏高或偏低，同時也有可能被認為取樣沾污等原因，將系統內特征濃度測量數據被隱藏。

參照國內和國際標準，從改善樣品代表性和提升靈敏度兩方面，通過下文來對取樣方式研究進行介紹。

4 對二回路水體中鐵腐蝕產物取樣代表性的研究

進行鐵的腐蝕產物分析是一項比較重大的挑戰，原因是有大部分含鐵腐蝕產物的形式顆粒態。其在采樣管線表面上會有沉積，而且采樣管線會釋放沉積氧化物，所以會對樣品濃度與系統水體特征濃度產生明顯的偏差。

4.1 采樣管線中顆粒傳輸的基本原理

關于采樣管線中顆粒傳輸的研究表明：樣品流速和穩定性是決定樣品管壁沉積速率和沖蝕速率以及達到和保持平衡所需時間的重要因素，也應注意到管壁沉積物中對溶解物的吸附影響。保持特定的流速是獲得樣品代表性的必要條件。

4.2 采樣管線流速設計準則

現有采樣管線設計為參照水汽集中取樣分析裝置驗收導則中的要求：在規定取樣架出口水條件下，恒溫設備應保證單路出口水樣不小于500mL/min（可調）。以二回路主給水取樣管線為例，在用取樣管線設計為管道DN10，流量范圍60～90L/h（參考換熱器設計標準）即1000～1500mL/min，是滿足設計要求的。

4.3 提高樣品代表性可以考慮的方法

①采樣管線長度應盡可能短，而且應盡量減少彎頭數量。這能減少表面的沉積和污染物釋放，同時能盡量減少化學反應的時間。采樣點應接近系統，且取樣點上游不宜設置過濾器。如樣品溫度過高，應在一次冷卻器后設置。如主給水取樣點。

②采樣管線（主流路）的流動狀態應維持在紊流狀態，同時應盡可能保持恒定，且取樣過程中流量不做調整。

要實現采樣管線內流體成紊流狀態，建議使用雷諾數進行計算，其定義及公式如下：

雷諾數（Reynolds number）是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數。另一種表述是慣性力和粘度力的比值，以Re表示，公式為：

Re=ρvd/η

式中：

ρ為流體在某一溫度下的密度。

v為流體的線性流速。

d為流體經過的特征長度，當流體流管圓形管道時，其為管道直徑。

η為流體在某一溫度下運動學黏性系數。

當流體的雷諾數<2000時，認為其是層流;在2000～3000時，則會過渡至發生湍流;大于3000時認為是紊流。當管線流體成紊流狀態時，增加了管道內垂直方向的擾動，增加了近壁面的流速（見圖1），減少鐵的產物的積累，使樣品代表性提高，水體分析能夠更客觀地表征系統狀態。

當樣品流量達到1000mL/min時，在不同溫度下，部分采樣管線的雷諾數仍可處于紊流范圍（見表1）。因此，維持紊流狀態是可以在相對較低的樣品流量的前提下實現的。

4.4 生產中可提高取樣代表性的建議做法

在實際生產活動中，建議對蒸汽發生器排污系統和主給水系統同時取樣，以期望獲得在取樣周期內，蒸發器內的鐵傳輸的真實水平。

為保證水體的代表性，應使采樣管線（主管線）內水體完全達到紊流，管線流量應不低于1400mL/min。但由于管線內仍然存在鐵的產物沉積仍會導致流量發生衰減，故建議初始流量不應低于2000mL/min。對于采樣管線應維持連續流水，即使在進行取樣時，在支路或主管線取樣時，也不做采樣管線（主管線）流量調整。

在機組啟動期間，應盡早開通采樣管線。以期望在首次取之前使采樣系統表面的沉積物達到穩定。需要注意的是，在流量發生明顯瞬變之后，采樣系統表面的沉積物穩定需要等待幾十甚至數百小時。

5 對二回路水體中鐵腐蝕產物取樣靈敏度的研究

通常情況下，抓取樣品和短周期取樣的靈敏度不足以檢測腐蝕產物傳輸水平的變化，也會錯過系統瞬態變化。

5.1 取樣周期的選擇

從2010年開始建立對鐵的腐蝕產物取樣方式摸索至今，通過長期實驗數據積累分析表明：在線累積流量法取樣周期需要一周才能有效降低誤差。這種取樣方式能夠提高鐵腐蝕產物的靈敏度，來獲得向蒸汽發生器腐蝕產物傳輸的更加接近系統水平的平均等效濃度。

5.2 長周期在線累積取樣數據對比

通過在線累積流量取樣分析數據與抓取取樣實驗室分析數據進行對比（見圖2和圖3），分析結果表明：在線累積取樣分析數據較抓取取樣增高30%～50%。

基于以上原理和實驗數據分析，給出參考做法如下：

①在機組正常運行期間，采取在線連續過濾流動的樣品，使用0.1μm或0.45μm濾膜過濾，周期7天，以取樣管線（支管）初始流量200mL/min的流量連續過濾，以減少流量衰減對流速的影響。

②在工藝管線流量不斷變化的瞬變工況期間，例如，在啟動期間，核功率大于30%PN至滿功率止，由于系統較臟，短時間內取樣流量會急速衰減，長周期采樣并不能獲得準確的平均等效濃度。理論上來說，實時調節管線流量可減緩這種不準確性。然而，這種調節需要人員頻繁干預，也存在干預不及時、人員狀態不可控等問題，一般電站并不會采用這種方法。故建議選取縮短周期為1天，增加采樣頻率減小濃度數據的不確定性。

③推薦使用X射線熒光光譜（XRF）分析法分析濾膜樣品，以確定鐵的氧化狀態，無需溶解過濾膜。或者將過濾膜完全溶解（要注意轉移時防止樣品損失），并通過原子吸收火焰法或電感耦合等離子體法對溶液進行分析。所得結果可計算采樣期間的平均等效濃度。

④在功率運行期間的相關濃度是指“等效”濃度。滿功率下的“等效”濃度等于實測濃度乘功率百分比除以100。例如，在10%功率下，實測濃度為100μg/kg，則100%功率下等效濃度為10μg/kg（即關于向蒸汽發生器的運輸量）。

6 結論

通過對壓水堆核電機組蒸汽發生器監測鐵傳輸的取樣研究結果來看：對采樣管線的流速優化、對取樣方式的周期的變化，可以改善水體樣品的代表性;通過長周期在線累積取樣，能夠提高取樣測量的靈敏度。經過此項研究，能夠為蒸汽發生器的鐵腐蝕產物傳輸提供更加客觀測量數據的取樣方式;為蒸汽發生器鐵腐蝕產物累積量評估、蒸汽發生器的老化評估提供重要的更接近系統狀態的基礎數據。