壓水堆核電廠二回路水質(zhì)泥渣沉積分析與控制優(yōu)化

王 靜,孫雪平,柏 樂

(海南核電有限公司，海南昌江572733)

壓水堆核電廠二回路水質(zhì)泥渣沉積分析與控制優(yōu)化

王 靜,孫雪平,柏 樂

(海南核電有限公司，海南昌江572733)

核電廠蒸汽發(fā)生器相當(dāng)于一個巨大的垃圾收集器，二回路系統(tǒng)的雜質(zhì)及異物等均進(jìn)入蒸汽發(fā)生器后，容易發(fā)生雜質(zhì)沉積，并導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器傳熱管傳熱效率降低，嚴(yán)重時甚至?xí)鹫羝l(fā)生器傳熱管腐蝕破損。因此，本文從核電廠二回路各系統(tǒng)管道和容器的材質(zhì)、二回路水質(zhì)控制以及二回路腐蝕等方面出發(fā)，分析核電廠蒸汽發(fā)生器的泥渣含量高的原因，并提出合理的技術(shù)改進(jìn)。最終達(dá)到降低蒸汽發(fā)生器泥渣量的沉積，提高蒸汽發(fā)生器的安全使用壽命的目的。

蒸汽發(fā)生器； 泥渣量；腐蝕； 水質(zhì)控制

壓水堆中蒸汽發(fā)生器(SG)的主要作用是將一回路中水的熱量傳給二回路的水，使其汽化。由于一回路水流經(jīng)堆芯而帶有放射性，因而蒸汽發(fā)生器與壓力容器和一回路管道共同構(gòu)成防止放射性外泄的第二道屏障。因此，蒸汽發(fā)生器是核電廠的重要設(shè)備之一，蒸汽發(fā)生器水質(zhì)監(jiān)督也是電廠水化學(xué)監(jiān)督管理的核心工作，最終目的是：

(1) 減少包括汽輪機(jī)在內(nèi)的二回路系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕，盡可能降低二回路腐蝕產(chǎn)物向SG中遷移沉積；

(2) 減少SG傳熱管、支撐板和管板上的淤渣沉積量，防止SG傳熱管因局部腐蝕而開裂，提高電廠運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

中國秦山一、二、三期，大亞灣、嶺澳和田灣等核電廠已相繼投產(chǎn)，各種形式的蒸汽發(fā)生器在不同國家廣泛的運(yùn)行，但是都有各自獨(dú)特的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和傳熱腐蝕的防護(hù)措施，各國都在加強(qiáng)對蒸汽發(fā)生器傳熱管的降質(zhì)預(yù)防，并且防止傳熱管的泄漏或破裂引起的放射性泄漏，因此控制二回路水質(zhì)優(yōu)化并且提高蒸汽發(fā)生器的傳熱質(zhì)量是重要的工作。

海南核電可以通過建立SG老化管理體系，嚴(yán)格控制SG的水化學(xué)條件，大修期間的泥渣沖洗，凝汽器熱阱增設(shè)磁柵的技術(shù)改進(jìn)，以及充分的在役檢查等措施，結(jié)合秦山核電二廠的SG保養(yǎng)方法，使可以預(yù)見的SG老化降至最小化，確保SG的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 蒸汽發(fā)生器泥渣含量高的原因分析

1.1 蒸汽發(fā)生器泥渣來源

由于蒸汽發(fā)生器中凝汽器鈦管破裂、蒸汽發(fā)生器傳熱管泄露、二回路補(bǔ)給水不合格或者系統(tǒng)和設(shè)備的完整性受到破壞而導(dǎo)致二次側(cè)水質(zhì)變差[1]。在管板上表面、管束和管板的連接部位及流動死區(qū)等部位，很容易由于水的不斷蒸發(fā)而導(dǎo)致雜質(zhì)(各種鹽類)的積聚，并使得這些部位的應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕加劇，最后導(dǎo)致各類鹽類泥渣沉積。

1.2 數(shù)據(jù)分析

秦山第二核電廠1號機(jī)組都已經(jīng)經(jīng)歷了多次換料大修，每次大修期間都對SG進(jìn)行壓力沖洗，充沖洗來看結(jié)果來看，蒸汽發(fā)生器沖洗出的泥渣量還是比較高，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 秦山第二核電廠歷次大修SG沖洗泥渣含量(濕重)

通過數(shù)據(jù)對比可以看出，在核電廠開始運(yùn)行的初期，蒸汽發(fā)生器中的泥渣含量較高，雖然數(shù)據(jù)顯示呈逐年下降的趨勢，但是在運(yùn)行5個燃料循環(huán)后，其蒸汽發(fā)生器的泥渣含量仍處于較高的數(shù)值。這些泥渣必須在每次大修過程中花費(fèi)大量的人力和物力開展沖洗工作。

1.3 原因分析

1.3.1 泥渣成分分析

大修蒸汽發(fā)生器沖洗后，對蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣進(jìn)行了Fe含量分析，并且開展了化學(xué)成分分析。由于分析過程中稱重的濾芯為濕重，分析前需要對泥渣進(jìn)行烘干，并計算泥渣樣品的含水量。結(jié)果見表2。

表2 U2C1大修蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣成分分析

從101大修蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣樣品分析結(jié)果(見表2)來看，泥渣樣品的含水量約占樣品總量的30%左右，烘干后的樣品中Fe含量約占樣品干重的60%～65%，換算成鐵的氧化物約占樣品總量的90%以上，泥渣樣品有明顯磁性，表明泥渣樣品中Fe大部分以磁鐵礦(Fe3O4)形式存在。

對101大修蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣樣品化學(xué)成分分析(見表3)，結(jié)果也進(jìn)一步證明泥渣樣品中主要成分是鐵的氧化物，Mg、Cu、Ni、Cr、Ca及SiO2的含量很低，甚至檢測不到。

表3 U2C1大修蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣化學(xué)分析

1.3.2 泥渣含量分析

蒸汽發(fā)生器沖洗泥渣中的Fe主要有兩個來源，一是蒸汽發(fā)生器本身的腐蝕，二是二回路熱力系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物遷移到蒸汽發(fā)生器并沉積。

但是，無論是蒸汽發(fā)生器本身的腐蝕，還是二回路熱力系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物遷移到蒸汽發(fā)生器。理論上，根據(jù)平衡原理，蒸汽發(fā)生器泥渣總的Fe含量可以由下列公式計算得出。

SGFe= AHPFe×AHP流量-(VVPFe×

VVP流量+APGFe×APG流量)

(1)

式中：SGFe——蒸汽發(fā)生器中鐵含量；

AHPFe——二回路給水中鐵含量；

AHP流量——二回路給水流量；

VVPFe——蒸汽中鐵含量；

VVP流量——蒸汽流量；

APGFe——蒸汽發(fā)生器中排污水中鐵含量；

APG流量——蒸汽發(fā)生器中排污水流量。

以秦山二期2號機(jī)組第2～5燃料循環(huán)(以U2C2～U2C5)，二回路系統(tǒng)Fe的平均計算：

AHPFe=2.95 ppb AHP流量：3978t/h

VVPFe=1.41 ppb VVP流量：3862t/h

APGFe=2.09 ppb APG流量：40 t/h

把以上參數(shù)及分析數(shù)據(jù)帶入(1)式，可計算出每小時遷移帶蒸汽發(fā)生器總的Fe量

SGFe= AHPFe×AHP流量-(VVPFe×

VVP流量+APGFe×APG流量)

=2.95×978- (1.41×3862+2.09×40) =6206.08 mg=6.20 g

按平均循環(huán)316天計算，每個燃料循環(huán)遷移到SG總的Fe量為：SGFe總=6.20×24×316 =47.02 kg。換算成Fe的氧化物(以Fe3O4計)，每個燃料循環(huán)遷移沉積到SG總的鐵的氧化物約為：SGFe3O4=47.02×232/168 =64.93 kg

而實(shí)際上，秦山二期2號機(jī)組第2～5燃料循環(huán)(以U2C2～U2C5)每次換料大修兩臺蒸汽發(fā)生器沖洗出的平均泥渣量濕重為96.7kg，含水量約30%，換算為干重約為67.7kg。

由以上理論計算值和每次大修SG 沖洗的實(shí)際泥渣量可以初步看出，計算結(jié)果與實(shí)際泥渣量基本相符，因此，蒸汽發(fā)生器總的泥渣主要來于二回路熱力系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物在蒸汽發(fā)生器中遷移沉積。

2 降低泥渣量的改進(jìn)方法

2.1 凝汽器熱阱增設(shè)磁柵

國內(nèi)不少發(fā)電廠在凝汽器熱阱或者在凝結(jié)水管路上都裝有磁力過濾器或者微孔過濾器，以除去系統(tǒng)中的懸浮固體顆粒，防止其進(jìn)入給水加熱器和蒸汽發(fā)生器，影響加熱器和SG傳熱管的性能。根據(jù)秦山二期的分析以及實(shí)際數(shù)據(jù)，可以看出，每年蒸汽發(fā)生器管板和泥渣收集器沖洗都能沖出大量的泥渣。因此說明SG內(nèi)是存在著大量的沉積物，一旦凝結(jié)水精處理沒有全流量運(yùn)行，會有一部分沉積物也從凝結(jié)水中帶出去的，而且前置陽床反洗水顏色深，灰黑色，需要反洗很多次才能進(jìn)行再生，說明樹脂受到相當(dāng)?shù)蔫F質(zhì)污染。而如果凝結(jié)水精處理裝置不運(yùn)行時，這些“鐵質(zhì)顆粒”的腐蝕產(chǎn)物又很容易進(jìn)入給水系統(tǒng)，從而進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。因此在凝汽器熱阱中安裝磁力過濾裝置，以除去這些帶磁性的腐蝕產(chǎn)物是有必要的。

在凝結(jié)器熱阱內(nèi)，以凝泵吸入口為中心(見圖1)四周布置成用磁柵做成的四邊形圍欄，圍欄框架邊長3000mm×2500mm，磁柵高1200mm，四邊的框架分別為上下兩個平行焊接在凝汽器支撐管上的50#角鐵組成，其角鐵上每隔60mm打一個φ18的孔，將長為1200mm強(qiáng)磁吸鐵器垂直插入孔中，組成一組磁柵，形成一個相對封閉的磁場，當(dāng)水流經(jīng)過這個磁柵, 其中鐵質(zhì)顆粒即被磁柵篩選出來，實(shí)現(xiàn)水的磁性凈化。

圖1 強(qiáng)磁吸鐵器與框架組裝示意圖Fig.1 Strong magnet iron and frame group diagram

2.2 二回路管道材質(zhì)變更

核電廠二回路主給水管線、凝結(jié)水管線、疏水管線、部分抽汽管線等主要是由碳鋼制造的，在運(yùn)行過程中，與流體接觸的碳鋼管線會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，而流體流動會加劇這一過程，這種腐蝕被稱為流動加速腐蝕(FAC)[2]。一般認(rèn)為，F(xiàn)AC 就是碳鋼或低合金鋼的正常保護(hù)性氧化膜溶進(jìn)流動的水或者汽水混合兩相流體中，與流體直接接觸的材料表面氧化膜會變薄且保護(hù)性降低，同時材料的腐蝕速率變大，最終材料的腐蝕速率與氧化膜的溶解速率達(dá)到平衡，并且這一過程會隨著運(yùn)行而持續(xù)下去。FAC 造成管道的壁厚減薄，致使管道的強(qiáng)度降低，引起腐蝕加速。影響FAC的主要因素包括：(1) 金屬材料；(2) 環(huán)境；(3) 流體力學(xué)。具體影響方面見表4。

核電廠二回路熱力系統(tǒng)主要管道，如凝結(jié)水管道、再熱器疏水箱出水管道、汽機(jī)抽汽管道、除氧再循環(huán)管道等管道的材料主要為20號碳鋼和Q235鋼。核電廠二回路熱力系統(tǒng)主要材料化學(xué)成分如表5所示。

表4 FAC的影響因素

表5 二回路熱力系統(tǒng)主要材料化學(xué)成分

20號鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q235是碳素結(jié)構(gòu)鋼，20號鋼價格比Q235更高一些。 20號鋼在正火狀態(tài)屈服點(diǎn)為245MPa，伸長率為>25%；調(diào)質(zhì)狀態(tài)屈服點(diǎn)為280MPa，伸長率為>22%。Q235鋼屈服點(diǎn)為235MPa，伸長率為21%～26%。20 號碳鋼具有很高的導(dǎo)熱率和良好的力學(xué)性能，而且價格便宜，表面鈍化處理后具有較高的耐蝕性，因而在熱力發(fā)電廠的爐管中廣泛應(yīng)用。

而304L不銹鋼是一種通用性的不銹鋼材料，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能(耐腐蝕和成型性)的設(shè)備和機(jī)件。309L焊材是碳含量較低的309S不銹鋼的變種，用于需要焊接的場合。它們相對于表5中的材質(zhì)Cr含量有了較大的提高，而且C含量大大降低，因此耐腐蝕性、耐熱性均有較大程度的提高。其具體成分如表6所示。

表6 304L不銹鋼主要材料化學(xué)成分

考慮到運(yùn)行后的FAC對管道的影響，建議核電廠應(yīng)該對二回路的管道進(jìn)行設(shè)計變更，將所有的疏水管減壓閥后管段和彎管、變徑以及三通等部件由碳鋼材質(zhì)變更為304L不銹鋼，直管段材質(zhì)不變。管道與管件之間的連接為異種金屬焊縫連接，可選用309L焊材。由于不銹鋼中的Cr含量較碳鋼有較為明顯的提高，所以在二回路FAC敏感管線的彎頭、變徑、三通等部件及其連接焊縫的抗FAC能力顯著增強(qiáng)。

2.3 二回路水質(zhì)優(yōu)化

SG水質(zhì)對SG管束的完整性有重大影響，預(yù)防蒸汽發(fā)生器腐蝕的最重要的手段就是二回路水質(zhì)監(jiān)督與控制。因?yàn)檎羝l(fā)生器相當(dāng)于高效過濾器，盡管給水中鹽類雜質(zhì)低到ppb級別，但是在滯流區(qū)、縫隙內(nèi)雜質(zhì)也能濃縮到管子腐蝕的程度。因此二回路水質(zhì)控制措施如下：

(1) 對二回路系統(tǒng)采用AVT全揮發(fā)水質(zhì)控制，由于限制了SG內(nèi)的總堿度并禁止帶游離堿持續(xù)運(yùn)行，保證了二回路的pH穩(wěn)定在9.6～10.0左右運(yùn)行，故能防止堿性應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，降低壁厚減薄的發(fā)生可能性。圖2顯示適當(dāng)提高給水的pH，能有效防止腐蝕產(chǎn)物向SG內(nèi)轉(zhuǎn)移。

圖2 溫度和 pH 值對Fe3O4 溶解度的影響[3]Fig.2 Effect of temperature and pH on the solubility of Fe3O4

(2) 也可以考慮二回路采用乙醇胺ETA水化學(xué)處理技術(shù)，能充分緩解疏水系統(tǒng)和水相系統(tǒng)的流體加速腐蝕(FAC)、進(jìn)一步改善核電站二回路系統(tǒng)的腐蝕狀況、減少腐蝕產(chǎn)物向蒸汽發(fā)生器的轉(zhuǎn)移量，從而降低腐蝕產(chǎn)物在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部沉積量。

(3) 防止凝汽器泄露，減少由于凝汽器泄露對二回路水質(zhì)影響。即使是微量的泄露也能給二回路水質(zhì)帶來惡化甚至引起停機(jī)。

(4) 控制補(bǔ)給水和化學(xué)添加劑的質(zhì)量，減少由于補(bǔ)水和加藥帶來的額外雜質(zhì)。

(5) 凝結(jié)水進(jìn)行全流量處理，通過水質(zhì)凈化減少存于系統(tǒng)中的雜質(zhì)含量，防止二回路水質(zhì)受到氯離子的污染。

(6) SG連續(xù)排污，通過直接排放或凈化處理降低SG二次側(cè)水質(zhì)中雜質(zhì)含量，并且嚴(yán)格監(jiān)督控制SG排污水的質(zhì)量，確保二次側(cè)水質(zhì)pH、Cl等引起腐蝕的因素。

2.4 二回路管道減薄監(jiān)督

目前核電廠二回路的管線用材主要是碳鋼。許多在役核電廠都出現(xiàn)了碳鋼管道壁厚減薄現(xiàn)象，在二回路中直徑小的管道的彎管、彎頭和孔板出現(xiàn)了破口或壁厚減薄現(xiàn)象，甚至引發(fā)安全事故。針對此情況，需要對二回路的管道減薄情況開展跟蹤與監(jiān)督。

(1) 管道分類

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可以將核電廠二回路汽水管道按照FAC敏感程度分為3類，如表7 所示。

表7 二回路汽水管道FAC敏感程度

(2) 制定跟蹤計劃

根據(jù)二回路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，可以選擇主蒸汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)、MSR、再熱、抽氣回路、疏水回路、冷凝水回路、主給水回路等作為重點(diǎn)實(shí)施監(jiān)督。在大修期間應(yīng)檢查二回路換熱器等設(shè)備的腐蝕狀況、評估腐蝕產(chǎn)物向蒸汽發(fā)生器的轉(zhuǎn)移情況。

3 結(jié)論

核電廠二回路的水質(zhì)控制關(guān)系著蒸汽發(fā)生器的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，而蒸汽發(fā)生器中的泥渣沉積會直接導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器的使用壽命，通過對泥渣組分分析、二回路水質(zhì)控制、二回路腐蝕機(jī)理以及二回路主要系統(tǒng)材料分析，為了降低核電廠蒸汽發(fā)生器泥渣沉積，可以采取凝汽器增設(shè)磁柵除去二回路大量的鐵渣的遷移和沉積，并且適當(dāng)改進(jìn)二回路部分管道設(shè)備的材質(zhì)，優(yōu)化二回路水質(zhì)控制，并通過管道減薄跟蹤來監(jiān)督二回路FAC重點(diǎn)系統(tǒng)并進(jìn)一步改進(jìn)的措施，結(jié)合這些信息，逐步改進(jìn)控制二回路水質(zhì)，維護(hù)蒸汽發(fā)生器長期穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 丁訓(xùn)慎.核電廠蒸汽發(fā)生器運(yùn)行中的安全問題[J].核安全, 2004.

[2] 趙亮.秦山第三核電廠二回路管道流動加速腐蝕控制[J].994-2015.

[3] 陶鈞，孔德萍.秦山核電廠二回路系統(tǒng)水化學(xué)的改進(jìn)[J].中國工程科學(xué),2008.

[4] 姚雪鴻.大亞灣核電基地壓水堆機(jī)組二回路水質(zhì)控制與實(shí)踐[C].電廠化學(xué)2013學(xué)術(shù)年會論文集,2013.11.

The Analysis of Sludge Sedimentation and Control Optimization of Second-loop Water Quality in PWR Nuclear Power Plant

WANG Jing,SUN Xue-ping,BAI Le

(Hainan Nuclear Power Co.Ltd.，Changjing of Hainan Prov.572733,China)

The steam generator of the nuclear power plant s is equivalent to a huge garbage collector, after the impurities and foreign matter of the secondary loop join into the steam generator,which are prone to cause impurity deposition phenomenon.That will reduce the heat transfer efficiency of the steam generator heat pipe, even when serious cause the steam generator heat transfer pipe corroded and damage. Therefore, this paper discussed the pipes and the material of vessels about systems from the second loop of nuclear power plant, the control of water quality, as well as other aspects of the corrosion, and analyzes the reasons for the higher sludge content of the steam generator, at last proposes reasonable technical improvements. Ultimately that can reduce the amount of sludge deposition in the steam generator, and improve the safety life of the steam generator.Key words: Steam generator; The amount of sludge; Corrosion; Control the water quality

2016-06-01

王 靜(19876—)，女，河北唐山人，工程師，本科，從事核電廠工作

TL48

A

0258-0918(2016)06-0858-07