鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器換熱管在役檢查驗(yàn)收和堵管準(zhǔn)則探討

鄒廉列，牛 犇，賈鈞森，謝澤陽(yáng)，卓光銘

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

0 引言

600 MW示范快堆(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CFR600)設(shè)計(jì)和建造采用 ASME BPVC 第Ⅲ卷核設(shè)施部件建造規(guī)則，其在役檢查遵照ASME BPVC 第Ⅺ卷核電廠部件在役檢查規(guī)則[1]，其中液體金屬及其覆蓋氣體的系統(tǒng)和部件按ASME BPVC 第Ⅺ卷第三分冊(cè)要求執(zhí)行，但第三分冊(cè)的檢查和試驗(yàn)規(guī)則尚不完善，未建立相應(yīng)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。因此，CFR600國(guó)產(chǎn)蒸汽發(fā)生器在役檢查缺乏在役檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則，必須根據(jù)自身的設(shè)計(jì)、制造特點(diǎn)，制定適用于我國(guó)的示范快堆蒸汽發(fā)生器在役檢查要求和驗(yàn)收準(zhǔn)則。

1 CFR600國(guó)產(chǎn)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)

蒸汽發(fā)生器(簡(jiǎn)稱(chēng)SG)是示范快堆主熱傳輸系統(tǒng)的主設(shè)備之一，直流式結(jié)構(gòu)。其主要功能是實(shí)現(xiàn)二回路(液態(tài)鈉載熱劑)和三回路(水/蒸汽)之間的換熱，使給水經(jīng)過(guò)加熱后，成為汽輪發(fā)電機(jī)所需的蒸汽，同時(shí)隔離鈉和水介質(zhì)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 示范快堆蒸汽發(fā)生器示意圖Fig.1 The schematic of the steam generator of the demonstration fast reactor

圖2 蒸汽發(fā)生器簡(jiǎn)圖Fig.2 The schematic of the steam generator

CFR600二回路主冷卻系統(tǒng)設(shè)兩條環(huán)路，每條環(huán)路上設(shè)置8臺(tái)蒸汽發(fā)生器模塊，每臺(tái)由蒸發(fā)器和過(guò)熱器組成(中間鈉管道連接)，其運(yùn)行參數(shù)如表1所示。換熱管是蒸汽發(fā)生器的核心部件，采用2.25Cr1Mo鋼(T22)，具有較好的耐熱性和換熱效率，與冷卻劑具有較好的相容性。

2 SG換熱管在役檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則和堵管準(zhǔn)則

CFR600國(guó)產(chǎn)SG的設(shè)計(jì)壽命為20年。為了確保SG換熱管的安全運(yùn)行，不僅要具備成熟有效的缺陷檢測(cè)技術(shù)，還要對(duì)含缺陷換熱管建立安全評(píng)定判據(jù)和堵管條件。根據(jù)中國(guó)原子能科學(xué)研究院編制、發(fā)布的《600 MW 示范快堆在役檢查大綱》[2]，針對(duì)SG換熱管不同類(lèi)別缺陷，采用目視檢查和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的檢測(cè)方法。由于SG換熱管屬于鐵磁性材料，采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流實(shí)施體積檢查是成熟、有效的無(wú)損檢測(cè)手段，針對(duì)蒸發(fā)器換熱管腐蝕穿孔以及蒸發(fā)器/過(guò)熱器換熱管外部磨損的源發(fā)缺陷均可針對(duì)性有效檢出。但是ASME規(guī)范中未對(duì)鈉冷快堆SG換熱管驗(yàn)收做出規(guī)定，國(guó)內(nèi)尚無(wú)可參考類(lèi)似工況設(shè)備運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，換熱管遠(yuǎn)場(chǎng)渦流驗(yàn)收準(zhǔn)則尚且無(wú)法確定。

2.1 SG換熱管允許減薄量有限元分析

根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位項(xiàng)目組的要求，設(shè)計(jì)單位參考NB/T 20244—2013壓水堆核電廠SG換熱管堵管導(dǎo)則中非穿透性缺陷堵管準(zhǔn)則確定原則[3]，采用有限元分析方法計(jì)算了 CFR600 蒸發(fā)器與過(guò)熱器換熱管最小允許壁厚。通過(guò)換熱管的規(guī)格、材料，遵循換熱管結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定了最小允許壁厚，使其在正常運(yùn)行工況和假象事故工況下具有足夠的安全裕量。確定最小壁厚所使用的安全系數(shù)與 ASME 規(guī)范所規(guī)定的安全系數(shù)一致，且確定最小允許壁厚所采用的分析方法應(yīng)符合SG設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定。在SG設(shè)計(jì)壽期內(nèi)，有限元分析得出的結(jié)果：

1)蒸發(fā)器換熱管最小允許壁厚為1.8 mm(減薄28%)；

2)過(guò)熱器換熱管最小允許壁厚為 2.2 mm(減薄27%)。

2.2 SG換熱管堵管準(zhǔn)則

按EPRI 有關(guān)SG完整性評(píng)價(jià)要求開(kāi)展換熱管爆破試驗(yàn)，確定快堆SG換熱管結(jié)構(gòu)性能準(zhǔn)則的安全評(píng)定判據(jù)(即堵管準(zhǔn)則)，要求在運(yùn)行工況下?lián)Q熱管具有足夠的安全余量使換熱管不發(fā)生爆破或垮塌失效，須滿(mǎn)足如下條件：

1)正常穩(wěn)態(tài)滿(mǎn)功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，為防止SG換熱管在二次側(cè)和三次側(cè)壓差下破裂，安全系數(shù)取3.0；

2)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，防止SG換熱管在二次側(cè)和三次側(cè)壓差下破裂，安全系數(shù)取1.4。

根據(jù)CFR600 1號(hào)機(jī)組SG設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)[5]，管程和殼程最大壓差為15.4 MPa，3倍運(yùn)行壓力差為46.2 MPa；試驗(yàn)工況的最大壓差為 20.48 MPa，1.4倍評(píng)價(jià)壓力為28.7 MPa。因此，在后續(xù)評(píng)價(jià)中，取46.2 MPa限值計(jì)算。

(1)溫度

根據(jù)CFR600 1號(hào)機(jī)組SG設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)[4]，SG發(fā)生器的最高溫度為515 ℃，因此，后續(xù)材料性能測(cè)試、材料性能確定和爆破試驗(yàn)溫度取值不能低于515 ℃，本試驗(yàn)取溫度520 ℃進(jìn)行測(cè)試和分析。

(2)缺陷類(lèi)型

根據(jù)換熱管失效機(jī)理分析，換熱管降質(zhì)主要分為兩類(lèi)：

1)裂紋類(lèi)缺陷。通常，當(dāng)換熱管存在裂紋時(shí)，易導(dǎo)致裂紋穿透及快速失穩(wěn)，導(dǎo)致鈉的泄漏，因此發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)必須實(shí)施堵管。故本試驗(yàn)不涉及裂紋類(lèi)缺陷堵管準(zhǔn)則。

2)磨損類(lèi)缺陷。當(dāng)換熱管與格柵板存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在支撐部位易產(chǎn)生磨損，由于換熱管兩端與管板焊接在一起，不易發(fā)生軸向位移，支撐部位的磨損長(zhǎng)度不大于格柵板厚度。

(3)磨損長(zhǎng)度

格柵板有14 mm和18 mm兩類(lèi)，根據(jù)調(diào)研，在相同缺陷深度時(shí)缺陷長(zhǎng)度大則其爆破壓力較小，保守起見(jiàn)本試驗(yàn)針對(duì)長(zhǎng)度為18 mm磨損類(lèi)缺陷開(kāi)展，如圖3所示。

圖3 換熱管支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 The support structure of the heat exchanger tube

(4)磨損形貌

換熱管和柵格板為圓形接觸，考慮到裝配間隙和振動(dòng)條件的影響，其磨損形貌一般為月牙形，如圖4所示。

圖4 換熱管磨損缺陷形式示意圖Fig.4 The schematic of the wear defect of heat exchanger tubes

2.2.1 高溫爆破壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度：試驗(yàn)控制溫度為520 ℃。弧形缺陷尺寸：長(zhǎng)度L=18、深度20%TW～80%TW，如圖5所示。 試驗(yàn)類(lèi)型：內(nèi)壓試驗(yàn)。

圖5 待測(cè)試樣Fig.5 The sample to be tested

針對(duì)20%TW～80%TW缺陷管，開(kāi)展了換熱管高溫爆破試驗(yàn)(如圖6所示)，獲得了高溫爆破壓力(如圖7所示)。

圖6 爆破后試樣Fig.6 The sample after blasting

圖7 格柵板磨損缺陷爆破壓力圖7 The blasting pressure of the grid plate wear defect

根據(jù)材料的拉伸強(qiáng)度和屈服點(diǎn)數(shù)據(jù)以及容器的幾何尺寸，運(yùn)用減薄型缺陷的爆破壓力關(guān)系式進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8所示。

圖8 格柵板磨損缺陷爆破壓力與缺陷尺寸的關(guān)系Fig.8 The relation between the blasting pressure and the defect size of the grid plate wear defect

考慮到T22材料在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行環(huán)境下，其強(qiáng)度隨運(yùn)行時(shí)間發(fā)生變化，ASME BPVC Section II NH篇給出了T22材料性能隨運(yùn)行時(shí)間的變化[5]，通過(guò)線性插值求得 T22 材料20年的(520 ℃)屈服強(qiáng)度減弱系數(shù)為原來(lái)的0.84，(520 ℃)抗拉強(qiáng)度減弱系數(shù)為0.80，如圖9所示。

圖9 T22材料強(qiáng)度減弱關(guān)系Fig.9 The strength weakening relation of T22 material

最終得出：φ16×2.5換熱管20年壽期內(nèi)帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的51%，即1.275 mm，那么最小剩余壁厚≥1.225 mm。由于換熱管的承壓能力與壁厚呈線性關(guān)系，對(duì)于壁厚3.0的換熱管而言，20年壽期內(nèi)的最小剩余壁厚須≥1.225 mm，也就是說(shuō)，φ16×3.0 換熱管20年壽期內(nèi)最大允許壁厚減薄為1.725 mm，即3.0壁厚的換熱管最大允許缺陷為壁厚的59%。

3 結(jié)論

1)基于有限元計(jì)算的結(jié)果，蒸發(fā)器換熱管最小允許壁厚減薄28%；過(guò)熱器換熱管最小允許壁厚減薄27%，可以作為SG換熱管的在役檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則。

2)基于結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)的爆破試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)壽期內(nèi)φ16×2.5帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的51%，φ16×3.0帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的59%，可以作為SG換熱管的堵管準(zhǔn)則。

3)CFR600在役檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則相對(duì)于壓水堆SG換熱管的渦流驗(yàn)收準(zhǔn)則壁厚損失小于等于40%是保守的，從設(shè)計(jì)的安全角度有保證。CFR600堵管準(zhǔn)則相對(duì)于俄供SG對(duì)換熱管渦流驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)允許換熱管金屬不連續(xù)性深度小于換熱管額定壁厚的60%不允許小于87%是保守的，作為堵管準(zhǔn)則是合理的。