核电厂蒸汽发生器传热管的凹痕及其防护.doc

核电厂蒸汽发生器传热管的凹痕及其防护来源：中国核电信息网发布日期:2011-09-16 摘要：凹痕反映了蒸汽发生器中国防部钢支撑板、管板和泥渣堆中传热管的变形和受压情况，这是由于在支撑板、管板间隙中出现严重的腐蚀产物累积或混渣堆里含有铁粒子而引起的。凹痕不会导致管壁穿透或管壁整体变薄，但在凹痕严重的蒸汽发生器中，它会造成支撑版损坏，使管壁拉伸应力达到屈服强度以上，从而诱发一次侧应力腐蚀或二次侧晶间应力腐蚀，而U形弯头支撑板处会变得对高周疲劳更加敏感。防止凹痕的措施包括：改变支撑板的结构和材料、限制二次测水化学的杂质含量、附加硼酸和进行清洗。关键词：核电厂；蒸气发生器；凹痕；防护Abstract:The dent reflects the mechanical deformation of stress of the tube.It is caused by the growth of corrosion products at the crevices of tube support plates or within thetubesheet, or caused by iron particles embedded in the sludge.Dents may not resut in tube wall penetration or thickness reduction.However inside steam generators. he severe dent may cause stuctural damage to tube support plates and tensile stresses well above yield strength of the tube wall.These tubes may be subjected to primary water stress corrosion cracking or intergranular stress corrosion cracking or intergranular stress corrosion cracking at the dents during subsequent operation.And the top tube support plates in the U-bend region will be more susceptible to high-cycle fatigue.Following measures ate used for preventing the dent; changing the strure and material of support plates. Restricting chemical impurity concentrations of secondary side water,adding boric acid and cleaning periodically.Keywords:Nnclear power plant; Steam generator; Dent; Protection1975年未，国外一些核电厂蒸汽发生器里发现了管子的凹痕现象，这些现象是在把磷酸盐水化学处理改为全挥发性水化学处理3-6个月后发生的。对传热管作便行涡流检查时，发现支内的管壁被压凹，涡流探头不能通过。这些压凹现象是由于碳钢支撑板的腐蚀产物堆积在管子与支间隙内而造成的。同时在顶压管子的过程中，支也会发生变形。在革些蒸汽发生器里还发现管子与管板缝隙处内也有这种凹痕。如果支变形严重，作用在管子上的力不对称，可使管子横截面变为肾状，在管子上产生拉伸应力和应变，甚至其拉伸应力达到屈服强度以上。当这些蒸汽发生器继续地时，可能诱发一次侧应力腐蚀或二次侧晶间应力腐蚀。在U形弯头支撑板处还会对高周疲劳变得更为敏感。截至1993年12月，在美国41座核电厂中，有1471根蒸汽发生器传热管因在管板区和泥渣沉积区出现凹痕而堵管；在17座核电厂中，有9092根蒸汽发生器传热管在支撑板处出现凹痕而堵管。重大的支凹痕发生在5个核电厂的机组里，即：磨石核电厂2号机组（796根管子）；塞瑞核电厂1号机组（1996根管子）；塞瑞根电厂2号机组（1964根管子）；土耳其角核电厂3号机组（1249根管子）和土耳其角核电厂4号机组（1835根管子）。大部分的凹痕发生在管束的热侧，且机组凝汽器的冷却为海水或微咸水。这些机组的蒸汽发生器已被更换。1989年，法国在其1300MW核电机组中发现，因安装和调试过程中没有清除蒸汽发生器管板上的金属微粒，运行时沉积层中的金属微粒被氧化后体积膨胀，挤压传热管而造成凹痕，使传热管内壁应力过大而产生晶间腐蚀。1 蒸汽发生器传热管的凹痕1.1 凹痕的机理如图1所示，人凝汽器漏入蒸汽发生器给水（锅水）的冷却水（特别是海水或微咸水），常含有大量氯化物，锅水中的氯离子（cl-）形成了导致生的酸性氯离子环境，这是促进凹痕产生最重要的因素。在这种环境中，管子与碳钢支间隙处沿支撑板内壁产生一种腐蚀产物Fe3O4,当支撑板加速腐蚀时，Fe3O4越来越多，其体大于基体金属的2倍。当Fe3O4充满支撑板间隙时，将对管壁施加一个横向压力，挤压传热管处壁，使其凹痕变形，管径缩小，形成了凹痕。 当核电厂采用磷酸盐水化学处理时，磷酸盐在支撑板间隙中能保持高的pH值，如果转而采用全挥发性水化学处理，pH值会有所下降。这时，当氯化物进入锅水时，支撑板间隙中会形成NiCl2和Fe3O4，加速碳钢支撑板内壁的腐蚀，形成无保护作用的Fe3O4腐蚀产物。 下列因素能促进支撑板间隙中管子凹痕的形成： (1) 凹痕过程中最可能的腐蚀介质是间隙处的酸性浓缩溶液，特别是盐酸溶液。氯化物能破坏碳钢支撑板Fe3O4，的保护层，不受保护的金属会受到氧化作用。在锅水中含有足够的氧时，会使碳钢支撑板快速腐蚀，存在氯化镍、氯化铁和氯化铜(如NiCl2：、FeCl3，和CuCl2；)时也会在间隙处形成氧化剂，加速碳钢的腐蚀。 (2) 温度。实验表明凹痕产生的速率随着温度的升高而加快，所以热侧支撑板处的凹痕比冷侧更明显。 (3) 热工水力性能。早期设计的蒸汽发生器中，支撑板为钻孔结构，材料为碳钢。图2为管子与支撑板接触情况，从图中可见，管子与支撑板的接触面是很小的，接触面所占圆周的角度也是有限的。在接触面附近，由于工质流动受到妨碍，液体不足，导致传热恶化，在传热面上产生干湿交替或在间隙中形成汽垫。而在间隙较大的传热面上则产生正常的沸腾现象。采用这种支撑板，按单相流计算仅有总流量的38通过间隙，其余的流量通过流水孔。因为二次侧工质通过间隙和流水孔的压降是一定的，间隙内如积累腐蚀产物，将增大通过间隙的流动阻力，加速间隙中流体不足的现象，进而加速杂质的浓集和沉积。22 支撑板处的凹痕 在适合产生凹痕的二次侧水化学条件下，形成凹痕的时间短暂，所以产生凹痕的管子几乎同时大量出现，不像一次侧应力腐蚀或二次侧晶间应力腐蚀那样逐渐增加。 要预测凹痕的开始，需要以锅水中的氯离子和间隙中氯离子浓度为基础。在凝汽器发生泄漏时，锅水中进有海水或微咸水，在间隙里会产生氯离子的浓集，形成凹痕的时间是很短的。在酸性环境里，当氯离子浓度为20ugkg，间隙为0305mm时，预测凹痕开始形成的时间为25年。在运行核电厂里，氯离子浓度比美国电力研究院(EPRI)水化学指标要低时，凹痕开始形成的时间将会延长。间隙中过热度、污垢、几何形状(钻孔或四叶形)、溶解氧和铜的出现都将会影响凹痕产生的速率。23 管板上的凹痕 法国在运行12年的核电厂上连续发现蒸汽发生器管板上传热管的凹痕。诺让1号机组1号蒸汽发生器的第1次循环中探测到管子的泄漏为4Lh，在换料停堆期间检查发现20根管子有环向裂纹并发生过泄漏，有100根管子在管板处表面发生凹痕。所有损伤的管子都位于管束中心区的环形部位，约有650根管子周围堆积着金属氧化物的硬渣。3号蒸汽发生器也发现有类似的情况，但程度较轻。2号蒸汽发生器上没有发生上述现象。法国电力公司对凹痕进行了检查分析和研究，发现管板上沉积物主要成份不是泥渣(腐蚀产物)，而足残留的铁基金属(打磨铁屑)。这些积聚在管板中心部位的铁基金属是在制造和组装时进入二次侧的，运行前没有清除。运行时二次侧水温升高，亚铁化合物粒子被氧化，形成磁性氧化铁(Fe3O4)而聚集和膨胀，挤压传热管的胀管过渡区，因内壁应力过大而引起一次侧晶间应力腐蚀破裂。针对这些传热管的凹痕，电厂有关部门进行了检查分析和试验，并采取了一些措施： (1)查明传热管凹痕和破裂的现状。一次侧：对被沉积物包围的管子用旋转探头进行涡流检查；采用不同方法来诊断管子的凹痕，对旋转探头得到的涡流信号进行特定处理；取管对凹痕和破裂进行定量分析，并与涡流检查结果进行对比。二次侧：用声纳来测量沉积层的厚度；在管间用视频探头和图像处理器绘出沉积物的分布和外来物的正确图形；对沉积物进行取样分析。 (2)对管子凹痕的产生过程进行沉积物膨胀的重现试验，并评估相应的应力和发生破裂的风险。 (3)开发和改进清洗技术，例如使用高压泥渣枪和化学清洗，以期在管板上得到合格的清洁度。 (4)对有严重凹痕和破裂的管子进行堵管。 (5)降低一次侧向二次侧泄漏的停堆限值。 如果研究结果表明管子的凹痕和裂纹有可能会影响机组的安全运行时，就要求经过一半运行循环周期时进行附加检查，以便确定凹痕形成速度和沉积区的范围以及需要堵管的数量并进行必要的清洗。1990年法国对1 300MW核电厂中的6台蒸汽发生器进行了中间检查，结果发现管子的凹痕和周向裂纹发展都不大，确认了管子的凹痕和裂纹只限于运行开始的6个月中。 1991年初，法国核安全局就认可了1 300MW核电厂以其设计的运行周期继续运行，并将泄漏率限值控制在3Lh，以及要求进行清洗工艺的改进以期达到合格的清洁度标准要求。3 凹痕的防护3. 1 改变支撑板的结构和材料 美国西屋公司早期设计的蒸汽发生器中，支撑板为钻孔结构，材料为碳钢。以后设计的F型蒸汽发生器，支撑板为四叶形结构(如图3所示)，有4个流水孔和4个平面接触的支撑凸缘。流水孔提供沿管子冲刷的通道，支撑凸缘支撑着管子，它的结构能提高锅水冲刷管子的流速，采用铁素体不锈钢为材料。法马通公司的 5519 B型蒸汽发生器也采用拉制的四叶形支撑板，材料也为铁素体不锈钢。加拿大CANDU 6蒸汽发生器为栅格支撑板结构如图3所示，每隔48个节距交错布置30度和150度的高栅格条，低栅格条布置在高栅格条间的每个节距内。支撑板与传热管为线接触，能减少杂质的沉积和局部蒸干。材料为41OS铁素体不锈钢。 支撑板材料选择铁素体不锈钢足由于这种材料能够防止传热管发生凹痕。其中，405和410S材料为含铬1l一30的Fe-Cr合金铁素体不锈钢，具有抗腐蚀的能力，尤其是能抗氯离子应力腐蚀，能满足强度要求而无需冷作便可形成一层薄的氧化物，在焊接和应力消除后也具有良好的抗腐蚀性能，对管子不会产生凹痕现象。它们的热膨胀系数大致与碳钢相等。在微振磨损方面表现出与管材合金690、合金800的相容性，符合化学成份、生产要求、强度、尺寸以及在焊接和应力消除后的抗凹痕和抗应力腐蚀的性能等方面的要求。32 限制二次侧水化学的杂质含量 凹痕的产生与氯化物等杂质进入二回路系统有关，因此要提高凝汽器运行的可靠性，减少冷却水的漏入。凝汽器要采用抗腐蚀性能良好的钛管作为传热管，还要积极开发凝汽器泄漏的检测技术。 为了减轻传热管产生的凹痕，美国蒸汽发生器所有者联盟(SGOG)和EPRT已经制订了蒸汽发生器二次侧水化学导则。这个导则中的水质指标要求比西屋公司的水质指标要求要严格得多，其中，锅水中氯的限值小于20Ugkg，钠的限值小于20ugkg，硅的限值小于300ugkg。此外，还要求尽量除去给水中的氧，把氧控制到3ugkg以下。二回路水化学运行规程中也包括了减少凝汽器的泄漏、减少空气的漏入、制造高纯补给水和进行凝结水净化等措施；连续排污率规定为最大蒸发量的0210，根据锅水指标可进行37蒸发量的短期排污。33 附加硼酸 硼酸(H3BO3)能够抑制酸性氯化物对碳钢的腐蚀，有效地抑制凹痕的发展。其抑制机理是在腐蚀产物氯化物和金属表面之间产生一种低溶解度和高比容的Fe3B17O13OH，这种物质能阻止腐蚀产物继续向碳钢表面的渗入，可以减缓氧化作用。 西屋公司采取了2种抑制凹痕的措施：一种是在低功率下用硼酸溶液浸泡蒸汽发生器管束，在达到满功率前，把大部分溶液排掉，当蒸汽含氢量测定值表明硼酸抑制效果欠佳时，重复上述处理；另一种则包括低功率下的浸泡和随后将硼酸加入锅水。34 定期清洗 随着核电厂运行时间的增加，清除管板上沉积的泥渣显得相当重要。一种方法是停堆时用泥渣枪水力清洗，从中间管廊将高压水流射入管束；另一种方法为 CECLL清洗，使用遥控装置，把高压水喷头直接装入管间，与检查探头相配合，把泥渣冲洗与清