核電站蒸汽發生器傳熱管脹管過渡區常見失效與應對方法探討

張錢松

陽江核電有限公司 廣東 陽江 529500

1 脹管過渡區常見失效形式

EPRI（Electric Power Research Institute美國電力試驗研究所）在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究報告中整理了以往運行經驗，壓水堆核電廠蒸汽發生器600MA（軋制退火合金）已經出現過各種模式的失效降級。對于傳熱管脹管過渡區，主要有如下類型：軸向PWSCC（一回路應力腐蝕開裂）；環向PWSCC；熱端管板頂部外徑環向SCC；熱端管板頂部外徑軸向和體積IGA/SCC；其他失效形式。

從上述主要失效類型分析。壓水堆核電站蒸汽發生器傳熱管脹管過渡區的各類主要失效形式中，應力腐蝕是導致傳熱管降質的最主要的失效機理。而應力腐蝕開裂與材料、應力和腐蝕環境密切相關。

2 影響因素分析

目前國內外已在實驗研究和工程應用上對傳熱管失效形式的影響因素進行研究分析，主要從傳熱管材料、脹管處理工藝、水化學環境影響因素方面進行分析和改進。

2.1 傳熱管材料

蒸汽發生器傳熱管材料選材歷經304、316奧氏體不銹鋼，在氯離子和堿性環境中，304和316不銹鋼管材和管板間容易聚集氯離子和堿性離子，在即使含有微量氯離子的水中也會出現嚴重的應力腐蝕開裂[1]。

經過試驗研究，隨著鎳含量的提高，材料發現應力腐蝕開裂的所需時間也越久，后續核電站采用鎳基600MA（軋制退火合金）固溶狀態作為蒸汽發生器傳熱管材料。但是，經過運行驗證已發現A600 MA在蒸汽發生器一次側和二次側環境下均很容易發生晶間腐蝕（IGA）及應力腐蝕開裂（SCC）。

為了解決600MA合金的傳熱管因為PWSCC和ODSCC等類型應力腐蝕開裂失效的問題。行業已開發研究出改進熱處理法來提升A600對IGA和SCC的耐腐能力。600改進熱處理合金（A600 TT）進行軋制退火后，以中等溫度（如704 °C或1300°F）進行一段較長時間（如15小時）的熱處理。經過模擬壓水堆水化學環境，試驗結果表明傳熱管材料鎳含量應當控制在17%到65%的范圍內時，抗應力腐蝕效果最佳，如圖2-1所示。后來開發800合金（A800 NG）的鉻含量更高，鎳含量更低，也已被應用于SG，被德國和加拿大的PWR廣泛采用。后來又開發出690改進熱處理合金（A690 TT）。各國已開展大量試驗，其證實相較其他合金，特別是690改進熱處理合金（690TT）的耐腐性更好。

圖2-1 不同鎳含量的合金對應力腐蝕開裂敏感度對應關系

2.2 脹管工藝

最早的蒸汽發生器設計，對管子實施機械脹管，只在一次側管板面處將管板幾英寸的縫隙封住。機械脹管的管板縫隙處的管子外徑面發生晶間腐蝕。西屋后來使用爆炸脹管法完成全深度脹管。西屋后續開發了液壓脹管法，其已被應用到配A600 TT和A690 TT管子的美國所有蒸汽發生器。

液壓脹管相比傳統機械脹管，具備如下特點：脹管芯軸插入傳熱管而不損傷傳熱管內壁；脹管深度及定位精確，最大限度地保證了傳熱管與管板的根部間隙減少；液壓脹管無機械擠壓而產生的冷作硬化，根部殘余應力較小，腐蝕傾向比機械滾壓脹管小得多。

2.3 水化學環境

根據美國和法國核電廠的運行經驗，在運行期間的水化學環境也會對傳熱管質量降質產生影響。對于蒸汽發生器傳熱管脹管過渡區而言一回路水化學環境控制主要是控制水中有害雜質如下：

2.3.1 氯化物：選用奧氏體不銹鋼作為蒸汽發生器傳熱管材料容器受氯離子引起應力腐蝕，選用因科鎳690TT材料，鎳含量≥58%，經試驗研究該含量處于氯離子應力腐蝕不敏感區。EPRI在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究報告表明在pH＞3的氯化物環境中，690TT材料的相對于600MA改善因子大于等于20， 690TT出現應力腐蝕開裂的所需時間至少是600MA材料所需時間的20倍以上

2.3.2 濃堿環境（NaOH、LiOH）：苛性鈉是蒸汽發生器傳熱管鎳基合金晶間苛性腐蝕的主要潛在原因之一。高濃度下，鎳基合金也會產生裂紋。EPRI研究表明在苛性鈉濃度更高時，690TT相比600MA的改善因子偏低，因此要控制鈉雜質的含量。

目前，國內外核電廠二次側水化學處理通常采用全揮發水化學處理（AVT）。這種全揮發性添加劑隨著汽水循環，不會形成局部濃縮或游離，能比較有效地防止對蒸汽發生器傳熱管的腐蝕。而隨著給水進入蒸汽發生器的可溶性雜質、懸浮物或少量凝汽器泄漏雜質, 可通過排污系統予以清除。

3 國內某CPR類型核電機組在工程實踐中針對失效的應對方法

3.1 傳熱管材料

按照RCC-M（2000+2002補遺）規范要求，國內某CPR類型核電機組蒸汽發生器傳熱管全部采用因科鎳690改進型熱處理合金（690TT）。

RCC-M（2000+2002補遺）規范關于用于蒸汽發生器傳熱管材料化學成分要求

3.2 脹管工藝

國內某CPR類型核電機組蒸汽發生器脹管工藝全部使用的是全深度液壓脹管，該脹管工藝比傳統機械脹管在殘余應力控制上更好，從應力方面減少了應力腐蝕開裂的影響因素。

3.3 水化學環境

國內某CPR類型核電機組蒸汽發生器二次側給水采用全揮發處理（無銅合金），一二回路水質控制良好，正常運行期間各項水質主要參數均控制在化學與放射化學規范期望值范圍內。且凝汽器采用鈦管，從材料上減少了海水進入二回路系統的可能性。

4 結束語

根據法國反饋，實施蒸汽發生器傳熱管脹管過渡區的MRPC檢查主要是為了發現應力腐蝕缺陷等失效形式。從國內外實驗研究和經驗反饋，目前國內某CPR類型核電機組蒸汽發生器從傳熱管選材、脹管工藝、水化學環境工藝和控制以及二次側泥渣清洗和沉積情況，都是按照行業內先進的處理方式，對于應力腐蝕缺陷具有較強的抵抗能力。