核電裝置換熱器的失效分析及其解決對策

鄒時晨 劉鳳英

摘要：我國核電事業(yè)處于高速發(fā)展的階段，而我國的核電事業(yè)之所以能夠有如此發(fā)展，歸功于我國核電事業(yè)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的安全。從我國各層級科學(xué)家們的努力來看，為了保障我國核電事業(yè)的穩(wěn)定前進(jìn)，付出了不少的努力。眾所周知，核電系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及安全關(guān)乎到核電工作能否正常進(jìn)行，而循環(huán)水系統(tǒng)是核電系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分，里面的換熱器更是關(guān)系到降溫問題，一旦換熱器出現(xiàn)故障，很有可能會造成放射性廢棄物的泄漏。本文對我國核電站RCW系統(tǒng)換熱器的一根多次泄漏的換熱管進(jìn)行了失效分析，探索分析了換熱器失效的解決對策。

關(guān)鍵詞：核電裝置;換熱器;失效分析;解決對策

一.引言

中國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開其在確保結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件安全方面的巨大努力，為此，除了對即將到來的第三代反應(yīng)堆進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)建設(shè)外，還著重對運(yùn)行中的反應(yīng)堆進(jìn)行在役檢查、在線監(jiān)測、定期試驗(yàn)和故障分析等，以便對運(yùn)行中的反應(yīng)堆進(jìn)行有效和高效的老化管理[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為冷卻系統(tǒng)中的一種，利用海水作為慢化劑的最終散熱器，其重要性不及核島系統(tǒng)。然而，這個系統(tǒng)中的設(shè)備和部件的安全，當(dāng)然也包括防噴器中的其他系統(tǒng)，仍然值得特別注意。它們一旦發(fā)生故障，不僅會造成大修停工造成的經(jīng)濟(jì)損失，而且還可能引發(fā)放射性廢物污染海水的潛在社會恐慌。

二.核電裝置換熱器研究現(xiàn)狀

本文對我國核電站RCW系統(tǒng)海水換熱器泄漏的大量鈦管進(jìn)行了綜合失效分析，確定了其失效的根本原因是伽伐尼腐蝕、縫隙腐蝕、氫氣泡和氫脆等電化學(xué)腐蝕與堵塞、微動和表面損傷等機(jī)械退化的協(xié)同作用。隨后，操作人員迅速采取了所提出的反措施，從此證明是完全有效的。然而，一些單獨(dú)的管子被發(fā)現(xiàn)幾年后再次泄漏。雖然每臺換熱器的管數(shù)為4932個，泄漏率的可接受限度一般為5%，不會影響換熱器的正常運(yùn)行，但為了確保該核電站的“絕對安全”概念，仍有必要進(jìn)行故障原因分析。為此，本文對該核電站RCW系統(tǒng)換熱器的一根多次泄漏的換熱管進(jìn)行了失效分析。

三.失效數(shù)值分析與對策

3.1.目視觀察

在核電站的RCW系統(tǒng)中，共有8套水平管殼式換熱器，尺寸為φ2400×15，000mm。該換熱器配有4932根尺寸為φ19×14，630×0.71mm的換熱鈦管，其中外殼側(cè)輸送淡化海水，管側(cè)輸送海水。實(shí)際上，管子在檢測到泄漏后就立即又被堵塞了，這一定是某種沉積物淤積的原因。然后，又將泄漏的管子從管板中抽出并進(jìn)行部分切割以便研究，從中可以清楚地觀察到泄漏的情況。

3.2調(diào)查方法

為了找出泄漏管道的故障原因，我們采用了一系列的角色塑造方法從現(xiàn)場采集樣品。對于管道本身，除了用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察其宏觀形貌外，還用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析了管道斷口的微觀形貌和微區(qū)化學(xué)成分。在塞子方面，采用光電直讀光譜儀檢測基體材料的化學(xué)成分。此外，沉積物用屬性X射線熒光光譜儀（XRF）和x射線衍射（XRD）測定其組分。

四.結(jié)果與討論

4.1.基材檢驗(yàn)

由于這些RCW熱交換器中的鈦管在我們以前的工作中已經(jīng)確認(rèn)合格，所以這次只檢查了塞子。塞子由一個螺釘和兩個螺母組成，所有螺母都已腐蝕。然后，對這三個部分的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測。這三個部分的化學(xué)成分基本符合ISO 3506-1和 ISO 3506-2標(biāo)準(zhǔn)中 a 3級奧氏體不銹鋼的要求（分別相當(dāng)于中國 GB/t 3098.6和 GB/t 3098.15標(biāo)準(zhǔn)），接近于 ASTM A193/A193M標(biāo)準(zhǔn)中的304奧氏體不銹鋼。但螺桿中鉻的含量低于要求，這可能是三種螺桿中鉻腐蝕最嚴(yán)重的原因。

4.2傳播環(huán)境分析

沉積物主要含有硅、氧化鋁和來自海水的鹽類，以及鐵氧化物，這是由于RCW系統(tǒng)中鐵基設(shè)備的腐蝕造成的。通過x射線衍射分析，可以確定，雖然沉積物中的成分非常復(fù)雜，但主要的兩個成分是天然海砂SiO2和腐蝕產(chǎn)物氧化鐵-氫氧化鐵FeO（OH），與XRF結(jié)果一致。特別值得注意的是，由于沉積物中沒有檢測到鈦，管道可能沒有發(fā)生腐蝕。

4.3顯微形態(tài)觀察

利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀等分析手段，對泄漏管的斷裂進(jìn)行了詳細(xì)分析。如圖1所示，在斷裂處存在三種形態(tài)，包括切邊、卷曲條和鹿角形，在下文中將簡稱為a.b和c。此外，可以了解到，破裂的邊緣已經(jīng)變薄，管的內(nèi)壁覆蓋著棕色的銹蝕，而外壁是光亮的，沒有任何腐蝕的跡象。清楚地表明管壁厚度的變薄是從管的內(nèi)壁開始的，變薄邊緣的寬度約為0.5mm。在薄的邊緣上存在著不同機(jī)制造成的各種退化痕跡，包括顆粒碰撞、流體侵蝕、磨料侵蝕、基材脫落等，表明這一地區(qū)的使用條件非常復(fù)雜。經(jīng)過放大，我們還可以發(fā)現(xiàn)這些痕跡甚至伴隨著微裂紋。然后，為了進(jìn)一步研究，用EDS檢測了這些降解痕跡的微區(qū)化學(xué)成分，不難推斷，這應(yīng)該是腐蝕產(chǎn)物、天然海沙、海鹽和來自沉積物的橡膠碎片的混合物。特別是，這些顆粒還作為介質(zhì)誘導(dǎo)沖擊和磨料侵蝕，最終導(dǎo)致基體材料脫落，并導(dǎo)致相似的微區(qū)化學(xué)組成。

根據(jù)前人的工作[2，3]，從電化學(xué)腐蝕和機(jī)械退化兩個方面分析了造成這些RCW換熱器鈦管泄漏的原因。由于x射線熒光光譜儀和x射線衍射儀在沉積物中沒有檢測到鈦元素，也就是說，沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕的證據(jù)。因此，本文提出的防止電化學(xué)腐蝕的對策一方面是有效的，另一方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械腐蝕。經(jīng)咨詢實(shí)地工作人員后，我們了解到，這個問題基本上是不可避免和補(bǔ)救的，因?yàn)槟壳皼]有可行和有效的方法找出嵌入機(jī)械損壞直至穿孔地在用管。讓我們回顧一下上面提到的破裂的不同形態(tài)。顯然，它們是由于管道內(nèi)壁局部表面幾何變化引起的湍流，而不是由于直線流動的純粹侵蝕，例如拉絲頭存在預(yù)先存在的損傷。當(dāng)湍流形成時，這些位置將發(fā)生渦蝕，其程度是純侵蝕的數(shù)倍，通常會產(chǎn)生各種各樣的侵蝕痕跡。目前認(rèn)為，某些鈦管拉拔頭內(nèi)壁的機(jī)械損傷實(shí)際上是引起湍流的最初原因，從而導(dǎo)致多種機(jī)械破壞機(jī)制，形成多種形貌。

五.結(jié)束語

綜上所述，不難看出核電裝置換熱器的失效的原因非常多，但是基本可以概括為電化學(xué)腐蝕和機(jī)械退化兩個方面，要解決這些問題，應(yīng)從設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，日常維護(hù)和檢修等方面著手，避免此類問題的發(fā)生。相關(guān)運(yùn)行人員也應(yīng)密切觀察核電裝置換熱器的運(yùn)行情況，及時對故障進(jìn)行排查，才能確保核電工作的安全進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉青.蒸餾裝置換熱器腐蝕失效分析與對策[J].石油化工設(shè)計(jì)，2013（01）：35-36.

[2]姜媛媛，劉飛華，白榮國，等.核電站換熱器腐蝕失效原因分析[J].全面腐蝕控制，2012（11）：63-66.

[3]徐鑫.換熱器在核電站的應(yīng)用及其性能分析[J].工程技術(shù)（文摘版），2016（8）：00109-00109.