核電廠反應堆指套管磨損過快治理技術探索

車銀輝，陳 強，祖 帥，王勤湖

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

指套管是核電廠內的重要設備，其作用是給中子通量探測器提供進出反應堆燃料組件的通道[1]。針對反應堆指套管磨損減薄的原因和預防措施，國內開展相關定性研究。鄭超雄[2]等根據指套管在役檢查歷史數據開展趨勢分析，提出指形套管在役檢查策略。柳正均[3]介紹堆芯指套管磨損位置和磨損機理，同時介紹秦山核電站根據維修在役檢測結果，制定每2年一個循環的定期檢查計劃。陳松[4]通過指套管的結構、在堆芯中的布置，結合堆芯結構和介質流特征，對指套管減薄的缺陷位置坐標、位置節點等情況進行統計分析，提出指套管減薄是由于微動磨損造成的。張明乾[5]通過分析在役核電廠36組指套管渦流檢查磨損數據，得到指套管磨損位置和相關影響因素，指出電站運行初期，指套管磨損較快，運行后期，磨損程度趨于穩定。

由于指套管運行后具有高放射性，指套管磨損原因分析和預防措施大多數依賴在役渦流檢測數據。盡管指套管磨損治理已取得一定成果，然而多年來核電廠指套管磨損超標事件仍頻繁發生，因此有必要對指套管磨損原因進行深入分析，總結各種指套管磨損治理技術應用效果，為解決指套管磨損過快的問題提供技術保障。

1 指套管結構及磨損區域

核電廠反應堆指套管為堆芯測量用的微型裂變室提供導向和通道，經導向管、壓力容器中子測量管、堆內構件儀表管、燃料組件儀表管穿入堆芯，中子通量測量通道布置如圖1所示。堆芯中子測量系統設置有50個測量通道，分布在50個燃料組件中，50根指套管分布于測量通道中。指套管外徑8.6 mm、內徑5.2 mm、壁厚1.7 mm、材料為316奧氏體不銹鋼。由于每根指套管在堆芯中所處的位置不同，因此每根指套管長度也不一致，長度為14～16 m。

圖1 中子通量測量通道布置

堆內構件儀表管支承組件總共有6種結構形式，分別為I型儀表管（17根）、II型儀表管（24根）、III型儀表管（3根）、IV型儀表管（2根）、V型儀表管（2根）和O型空心儀表管（2根），堆內構件儀表套管支承組件具體結構和位置分布如圖2所示。儀表套管組件與堆芯支承板的連接形式有兩種類型，分別為28個上部延長段結構和22個M32空心六角螺栓結構。儀表管的內部導向通道變徑位置共有5處，見圖2中的P1～P5。

圖2 堆內構件儀表套管支承組件（R為內部圓角）

2 指套管磨損過快原因分析

2.1 指套管磨損位置分布分析

對核電廠22臺同類型在役機組、100余次大修、3700個指套管渦流檢測數據進行分析，從指套管高度方向的磨損位置、指套管磨損坐標分布、以及指套管所在儀表管類型開展磨損分布規律分析，分析結果如下：

（1）根據指套管高度方向磨損區域分布統計結果（表1），指套管磨損最嚴重的位于P1位置，其次位于P4位置，且P1位置的磨損次數和磨損量均為P4位置的2倍以上。

表1 指套管P1～P5位置的磨損次數和磨損量

（2）根據指套管磨損坐標統計結果，指套管P1位置磨損次數最多的坐標依次為J10、L5、N8、G14、L6、L11、J7、R8、L8、F13。指套管P4位置磨損次數最多的坐標依次為N8、J10、N12、L6、F9、N10、G14、N5、R8、H11。指套管磨損次數分布如圖3所示，磨損次數較多的指套管集中在反應堆堆芯0°至90°象限區域內。

圖3 指套管磨損次數分布圖

（3）根據指套管所在儀表管類型分布的統計結果，延長段型儀表管對應的指套管P1位置磨損次數最多，II型儀表管對應的指套管P4位置磨損次數最多。

根據上述統計結果，指套管磨損嚴重部位均位于“P1”和“P4”位置。為此，從2個位置的指套管磨損形貌、儀表管結構特點和堆芯流場分布等方面對指套管磨損過快的原因進行重點分析。

2.2 指套管磨損形貌觀察

指套管磨損檢查采用渦流檢測方法，但由于指套管內徑較小，目前的檢測技術只能進行體積磨損量檢測，無法確定磨損周向分布情況。為獲取指套管磨損的實際形態，在核電廠機組大修指套管更換期間，利用水下耐輻照電鏡，對指套管磨損形貌進行觀察，觀察結果如圖4所示。指套管P1處的磨損痕跡呈現兩種形式，一種是楔形減薄，另外一種是環槽型減薄。目前的渦流檢測樣管接近于楔形形貌，對于環槽型減薄測量并不準確。

圖4 指套管磨損位置宏觀形貌

2.3 指套管材料理化檢測

對磨損超標更換下來的指套管開展理化檢測，分析樣品截取自于同一根放射性小的部位，并在熱室完成相關檢測工作。3個指套管分析樣品的顯微硬度基本相同，測量結果見表2，其平均硬度為HV280。對3個指套管樣品的橫截面和縱剖面樣品進行電解蝕刻，結果表明橫截面樣品和縱剖面樣品的金相組織為奧氏體等軸晶組織，晶粒組織均勻性較好，尺寸無明顯差異，然而晶粒內部存在較多的滑移條帶，這表明指套管加工制造過程中采用冷變形工藝，符合核電廠設備建造規范要求。指套管材質檢測并未見明顯異常。

表2 指套管表面顯微硬度測量結果

2.4 堆內構件儀表管結構影響分析

指套管外表面磨損是其與堆內構件儀表管發生摩擦造成的，因此構件儀表管的制造質量直接影響指套管的磨損速率。經調查，構件儀表管P1和P4處的倒圓角尺寸較小（R＜1.5 mm）。使用內窺鏡觀察延長段儀表管內部制造質量，P1和P4的倒圓角處存在明顯的制造刀痕（圖5），這將加大指套管與儀表管的接觸應力，增大磨損速率。

圖5 儀表管內部P1/P4點倒圓角處內窺鏡觀察

十字支承柱導向通道對應的指II型儀表管所在的指套管在P4位置也更易發生磨損，這是因為堆芯0°至90°象限區域布置的II型儀表管較多，P4位置為儀表管入口變徑處，入口有較長的指套管暴露在流體，從而增加指套管在P4位置的接觸應力，加劇該處磨損。

2.5 堆芯流場分析

對反應堆進行三維全尺寸數值計算，保持反應堆冷卻劑總流量為3×25 300 m3/h（設計值），三環路均勻布置。反應堆下部為球形區域，冷卻劑進入反應堆下部球形區域后同樣產生了大量的橫向渦和縱向渦，中間區域和四周區域縱向渦更為明顯，反應堆縱向截面流場及J10指套管橫向流速如圖6所示。根據指套管磨損位置分布統計結果，J10指套管的磨損次數最多，由于指套管部分（P1位置和P5位置）暴露在一回路冷卻劑中，會承受冷卻劑的橫向沖擊，為此提取J10指套管橫向流速，堆芯P1位置的橫向流速（1 m/s）大于P5位置的橫向流速（0.5 m/s），更易磨損。對指套管與儀表管的接觸情況進行穩態流體仿真，獲取指套管表面受到的流體沖擊應力，其中空心六角螺栓分析模型的R=1.5 mm，上部延長段分析模型的R=0.5 mm，兩者在1 m/s橫向流速作用下的沖擊應力分析結果如圖7所示，上部延長段結構儀表管的接觸壓力值（662.4 MPa）大于空心螺栓結構的儀表管接觸壓力值（645.1 MPa），更易磨損。根據文獻[6]研究結果，三環路流量存在偏差時，反應堆下部構件流場會出現更加明顯的不均勻性現象，導致磨損異常的指套管坐標隨機性加大。綜上，在橫向流速的作用下指套管會與儀表管發生接觸磨損，由于指套管磨損區域的橫向流速和儀表管結構類型不同，接觸磨損速率存在不同。

圖6 反應堆縱向截面流場及J10指套管橫向流速

圖7 指套管在橫向流速作用下P1位置沖擊應力

2.6 指套管磨損過快機理及原因

經調查分析，通過抽檢指套管材料的理化性能，指套管材料性能符合設計要求。根據指套管結構特點和堆芯流場分析結果，指套管P1和P5位置暴露在堆芯中，在堆芯冷卻劑橫向流動力的作用下，在儀表管內截面變徑處產生接觸磨損，同時P1位置指套管的長度要大于P5位置的指套管，產生的接觸應力會更大，增大磨損速率，疊加部分儀表管內表面存在制造不良的現象，更加促進磨損速率。這表明核電廠堆芯指套管磨損過快的原因是堆芯下部構件儀表管在抗耐磨性方面的結構設計存在不足。而部分儀表管內部圓角制造工藝不佳對指套管磨損過快問題有促進作用，這也是導致新機組首個燃料循環后部分指套管磨損過快的主要影響因素。

3 指套管磨損過快治理技術應用

為降低指套管外面磨損速率，結合堆芯結構設計已固化以及堆內構件已服役等現狀，主要從指套管移位或者更換延長使用壽命、堆芯下板增加夾持裝置、指套管材料表面硬化等改進方面的實施效果進行介紹和總結。

3.1 指套管磨損超標移位或者更換技術應用

指套管的磨損現象無法避免，根據大量的磨損檢測數據，隨著運行周期的增長，指套管的表面狀態趨于穩定或被磨平，磨損趨勢會變緩。為了增加指套管壽期內截取次數（由原3次割管增加為5次），開發出指套管長度和徑向的磨損區域新檢測設備，提高指套管磨損缺陷測量精度。然而儀表管在長期輻照情況下,其材料的硬度明顯上升，同時儀表管圓角磨損區會留下銳角形狀，會繼續磨損已移位或者更換后的指套管，甚至加快磨損速率，大大縮短使用壽命。

3.2 堆芯下板增加夾持裝置技術應用

為保證指套管與儀表管的對中度，減少兩者的接觸頻次，法國PALUEL核電站在指套管P1位置加裝了徑向夾持裝置，具體結構如圖8所示，該裝置同時還可以將指套管與水流明顯隔開，降低堆芯中水流對指套管的直接沖擊。該夾持裝置長期使用后，指套管磨損速率有降低但并未徹底解決磨損過快問題。由于國內燃料組件管座與國外結構形式不同，不能將該裝置直接引用使用，但參考此思路日后可開發類似結構裝置。

圖8 指套管P1位置徑向夾持裝置

3.3 指套管材料表面硬化處理技術應用

美國H.B.Robinson核電廠將1號機組15根指套管和2號組22根指套管更換為鍍Cr指套管，增加指套管外面硬度。根據渦流檢查結果，鍍Cr指套管抗耐磨性良好。采用鍍Cr指套管可以有效減少指套管定期預防性檢測周期和更換的指套管數量，節約核電廠大修工期。

4 結束語

針對于核電廠指套管磨損過快問題，從指套管磨損位置分布規律、磨損形貌觀察、材料理化檢測、儀表管支承結構、堆芯流場分析等方面開展深入分析，明確其磨損過快的原因是堆芯下部構件儀表管在抗耐磨性的結構設計存在不足。基于明確的原因，結合堆芯結構設計已固化以及堆內構件已服役等現狀，從指套管移位或者更換延長使用壽命、堆芯下板增加夾持裝置、指套管材料表面硬化等方面介紹技術改進的實施效果，目前表面鍍Cr可實現性好，為解決指套管磨損過快問題提供參考借鑒。