ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行期間關(guān)鍵部位的損傷機(jī)理及緩解措施

(中國(guó)核電江蘇核電有限公司，連云港 222042)

ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器是WWER-1000核電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，主要將一回路冷卻劑的熱量通過(guò)傳熱管傳遞給二回路的給水，加熱給水至沸騰，經(jīng)過(guò)汽水分離后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的飽和蒸汽；同時(shí)，作為一回路壓力邊界，與一回路其他壓力邊界共同構(gòu)成防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第三道安全屏障。影響ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器安全運(yùn)行的關(guān)鍵部位有傳熱管、冷集流管的鉆孔區(qū)域、集流管與殼體接管段的111(焊縫編號(hào))焊縫區(qū)域。其中，傳熱管的腐蝕是臥式蒸汽發(fā)生器老化管理一直關(guān)注的問(wèn)題；冷集流管鉆孔區(qū)域母材(聯(lián)系帶)出現(xiàn)的裂紋問(wèn)題曾導(dǎo)致25臺(tái)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器在1987-1995年期間進(jìn)行了更換[1]；集流管與殼體接管段的111焊縫區(qū)域易出現(xiàn)裂紋[2]，因此被視為影響WWER-1000機(jī)組安全運(yùn)行和延壽的關(guān)鍵部件。

為此，本工作對(duì)俄羅斯、烏克蘭和保加利亞等國(guó)多個(gè)WWER-1000核電機(jī)組的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行期間的關(guān)鍵部位的損傷機(jī)理進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤和研究，整理和分析了冷集流管鉆孔區(qū)域聯(lián)系帶、集流管與殼體接管段的111焊縫區(qū)域的損傷問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行及老化管理提供一定理論依據(jù)和參考。

1 ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

1.1 ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ПГВ-1000系列臥式蒸汽發(fā)生器由俄羅斯Gidropress設(shè)計(jì)院進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并分別由俄羅斯的ATOMMASH、ZIO-PODOLSK公司和捷克的VTKOVICE公司進(jìn)行制造，用于WWER-1000核電機(jī)組。ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的殼體和傳熱管均水平布置；一回路冷卻劑從主循環(huán)管道的熱端通過(guò)垂直的熱集流管進(jìn)入，并通過(guò)水平的傳熱管將熱量傳遞給二回路的給水，而后從垂直的冷集流管流向主循環(huán)管道的冷端[3]。傳熱管的材料均為奧氏體不銹鋼(俄羅斯牌號(hào)08X18H10T)，尺寸φ16 mm×1.5 mm；殼體筒體段的材料為珠光體低合金鋼鍛件(俄羅斯牌號(hào)10ГН2МФА)；熱/冷端集流管早期材料為馬丁爐冶煉10ГН2МФА鍛件，后大多數(shù)變更為電渣重溶或二次真空熔煉的10ГН2МФА-Ш/ВД鍛件。

1.2 集流管和111焊縫

熱/冷集流管結(jié)構(gòu)相同，相當(dāng)于立式蒸汽發(fā)生器的管板，其中間部位開有約11 000個(gè)孔(孔與孔之間的基材為聯(lián)系帶)，這些孔用于傳熱管的穿管、脹焊；集流管內(nèi)表面有至少7 mm的奧氏體不銹鋼堆焊層，集流管最大厚度為171 mm，相關(guān)結(jié)構(gòu)參見文獻(xiàn)[4]。

111焊縫為ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器殼體上φ1 200 mm的接管段與集流管下端過(guò)渡環(huán)的連接焊縫，其厚度為72.5 mm，相關(guān)結(jié)構(gòu)見圖1[2]。

圖1 集流管和殼體接管段的111焊縫Fig. 1 111 Welded joint between collector and vessel

2 ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的損傷

2.1 冷集流管鉆孔區(qū)域的損傷

1986年10月南烏克蘭核電站首次在冷集流管的聯(lián)系帶發(fā)現(xiàn)了裂紋，至1995年陸續(xù)在9個(gè)機(jī)組的25臺(tái)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器冷集流管上發(fā)現(xiàn)了裂紋(縫)。其中3臺(tái)是由于一回路冷卻劑介質(zhì)泄漏到二回路，導(dǎo)致冷集流管材料活度增加而發(fā)生開裂，其它22臺(tái)是在年度計(jì)劃停堆探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的，這些裂紋發(fā)現(xiàn)時(shí)冷集流管僅運(yùn)行了7 000～60 000 h[1]。

冷集流管鉆孔區(qū)域損傷直接影響WWER-1000機(jī)組安全，一度引起俄羅斯和國(guó)際的高度關(guān)注。俄羅斯在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的協(xié)助下從金相分析、失效機(jī)理、材料特性、力學(xué)分析和檢測(cè)方法等對(duì)冷集流管的鉆孔區(qū)域進(jìn)行全方面研究分析，后俄羅斯、烏克蘭和保加利亞對(duì)其國(guó)內(nèi)運(yùn)行的所有WWER-1000機(jī)組的蒸汽發(fā)生器采取相應(yīng)的補(bǔ)救或更換措施。這些措施已取得明顯的效果，除1995年巴拉科夫核電站在維修區(qū)域再次出現(xiàn)損壞情況外，其余核電站到目前為止已運(yùn)行30 a沒(méi)有出現(xiàn)該類問(wèn)題。

2.2 111焊縫的損傷

1998-2006年，111焊縫區(qū)域的損壞最早僅出現(xiàn)在小系列堆型(B-187，B-302)的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器熱集流管上，這些ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器均由俄羅斯Atommash在1987-1988年期間，采用爆炸脹管工藝制造[2]。因此，開始認(rèn)為該問(wèn)題只發(fā)生在小系列的堆型的ПГВ-1000熱集流管上。

2007年后，在其他堆型系列(包括B-320之后標(biāo)準(zhǔn)堆型系列)核電站機(jī)組ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器冷/熱接管焊接接頭的根部相繼發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)性損傷[2]，這種缺陷是高溫水工況下出現(xiàn)的典型缺陷。2015年，根據(jù)水壓機(jī)設(shè)計(jì)院給出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在11臺(tái)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器集流管的111焊縫區(qū)域發(fā)現(xiàn)了24處損傷，其中3處為貫穿性損傷，4處發(fā)生在冷集流管上[5]。

對(duì)出現(xiàn)111焊縫損傷的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器按照相應(yīng)的工藝進(jìn)行了維修，目前這些蒸汽發(fā)生器均處于運(yùn)行狀態(tài)，但有些維修過(guò)的地方又出現(xiàn)了裂紋[2]。

2.3 損傷機(jī)理和特點(diǎn)

2.3.1 損傷機(jī)理

冷集流管鉆孔區(qū)域和111焊縫區(qū)域的損傷機(jī)理均為低頻應(yīng)變(10-7～10-6/s)導(dǎo)致的腐蝕開裂[2]。

集流管損傷部位的運(yùn)行溫度(260～290 ℃)正好處于10ГН2МФА鋼的敏感溫度范圍內(nèi)，在運(yùn)行應(yīng)力和制造殘余應(yīng)力的疊加作用下，10ГН2МФА鋼出現(xiàn)低溫蠕變，加上二次側(cè)鍋爐水和局部腐蝕環(huán)境，最終導(dǎo)致集流管出現(xiàn)腐蝕開裂。裂紋擴(kuò)展速率受集流管母材中MnS結(jié)構(gòu)(形式、形狀和取向)、二次側(cè)水pH、溶解氧含量、進(jìn)入裂紋縫隙的雜質(zhì)和氧化物、應(yīng)力和溫度等多種因素影響。

2.3.2 損傷特點(diǎn)

損傷均先出現(xiàn)在應(yīng)力集中部位。鉆孔區(qū)域開裂損傷主要發(fā)生在冷集流管鉆孔區(qū)域和非鉆孔區(qū)域形成的楔形區(qū)域及附近。多數(shù)111焊縫損傷發(fā)生在熱集流管上，少數(shù)發(fā)生在冷集流管上，111焊縫區(qū)域的裂紋均起源于“水袋”底部R20倒角處，且大多數(shù)損傷沿集流管與主管道相連接的軸方分布。

損傷具有明顯氫脆特征。俄羅斯加里寧核電站1號(hào)機(jī)組3號(hào)蒸汽發(fā)生器的金相分析結(jié)果表明，該蒸汽發(fā)生器在二次側(cè)鍋爐水pH較低的情況下運(yùn)行一段時(shí)間后，其集流管母材中的氫含量逐漸增大，裂紋區(qū)域的氫含量明顯高于其他區(qū)域的，氫脆導(dǎo)致材料的塑性明顯減低。其損傷裂紋切面同時(shí)存在腐蝕坑、脆性斷裂和韌性斷裂等特征，見圖2[6]，圖3[7]。烏克蘭哈利科夫物理技術(shù)研究所對(duì)波羅的海核電站111焊縫區(qū)域進(jìn)行熱解析質(zhì)譜分析。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期運(yùn)行后氫積累引起的氫脆會(huì)直接影響金屬開裂的壽命。

(a) 無(wú)腐蝕坑

(b) 有腐蝕坑圖2 俄羅斯加里寧核電站1號(hào)機(jī)組3號(hào)蒸汽發(fā)生器111焊縫的截面形貌Fig. 2 Cross-section morphology of 111 welded joint of steam generator No.3 in unit No.1 in Kalinin nuclear power plant: (a) without corrosion pits; (b) with corrosion pits

損傷具有潛伏期和突發(fā)性。集流管母材上裂紋的萌生有很長(zhǎng)的潛伏期，裂紋萌生后其發(fā)展也需一定的時(shí)間。但在對(duì)俄羅斯多座核電站111焊縫進(jìn)行超聲檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)裂紋的發(fā)展主要集中在一個(gè)換料周期內(nèi)，即一年前的檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。這是由于早期萌生的裂紋比較狹窄(5～10 μm)，裂紋中氧化沉積物的聲學(xué)性能和母材的近似，因此超聲檢查難以發(fā)現(xiàn)早期裂紋[2]。

2.3.3 損傷原因分析

ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器集流管運(yùn)行期間發(fā)生損傷是材料、制造、結(jié)構(gòu)、水化學(xué)工況、外部環(huán)境、運(yùn)行應(yīng)力和制造殘余應(yīng)力等因素綜合影響的結(jié)果，不是某一種因素單獨(dú)導(dǎo)致的。下面對(duì)各影響因素及相應(yīng)措施的相關(guān)研究進(jìn)行了整理分析。

2.3.3.1 材料

在對(duì)鉆管區(qū)域出現(xiàn)損傷區(qū)域進(jìn)行破壞性檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：第1代ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的集流管材料是用馬丁爐(開式)熔煉的10ГН2МФА鋼，鋼中雜質(zhì)(如硫、磷含量)較高，存在MnS 夾雜物，易致陽(yáng)極腐蝕開裂[1]。

2.3.3.2 集流管結(jié)構(gòu)

(a) 脆性斷裂

(b) 韌性斷裂圖3 烏克蘭波羅的海核電站2號(hào)機(jī)組1號(hào)蒸汽發(fā)生器111焊縫的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of 111 welded joint of steam generator No.1 in unit No.2 in Zaporozhe nuclear power plant: (a) brittle fracture; (b) ductile fracture

第1代ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的集流管在設(shè)計(jì)時(shí)，其上端頭與殼體開孔筒體壁之間的間隙過(guò)小，當(dāng)蒸汽發(fā)生器升溫后，殼體阻滯了聯(lián)系帶的位移，導(dǎo)致集流管受力過(guò)大[1]，從而使聯(lián)系帶和111焊縫區(qū)域產(chǎn)生很大的運(yùn)行應(yīng)力。鉆孔區(qū)域附近存在楔形非穿孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器集流管在制造和運(yùn)行期間出現(xiàn)應(yīng)力集中，相對(duì)于均勻鉆孔區(qū)域，其應(yīng)力提高了15%[1]。111焊縫區(qū)域的“水袋”結(jié)構(gòu)，在底部R20倒角處易形成應(yīng)力集中，再疊加運(yùn)行應(yīng)力后，該處的應(yīng)力接近材料的屈服應(yīng)力[2]。

由于WWER-1000機(jī)組存在不同的堆型，因此ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆冷卻劑管道的連接方式也存在一定差異，最終導(dǎo)致不同工況下111焊縫R20倒角處產(chǎn)生的應(yīng)力也不同。如在正常運(yùn)行工況下，小系列反應(yīng)堆裝置在該處的應(yīng)力為332 MPa，В-320系列反應(yīng)堆裝置在該處的應(yīng)力為252 MPa[2]。同時(shí)，111焊縫區(qū)域的應(yīng)力還受主管道收縮、膨脹和移動(dòng)等情況的影響。

2.3.3.3 制造和加工

早期，ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的集流管是采用爆炸脹管工藝加工的。該工藝會(huì)使集流管的孔間基體金屬產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過(guò)大，達(dá)到300 MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度(局部甚至更高)；同時(shí)，造成表面極度硬化(約增40%)。這是造成集流管鉆孔區(qū)域裂紋的重要原因[1]。也有人認(rèn)為爆炸脹管工藝也增加了111焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力[2]。

在2009年俄羅斯НB АЭС核電站大修期間，對(duì)5號(hào)機(jī)組1～4號(hào)蒸汽發(fā)生器熱端集流管111焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，其殘余應(yīng)力均接近10ГН2МФА鋼的屈服極限。對(duì)該機(jī)組4臺(tái)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了維修，其中1號(hào)和2號(hào)蒸汽發(fā)生器在運(yùn)行了一段時(shí)間后，同一維修位置重復(fù)出現(xiàn)了損傷。經(jīng)核查，這兩臺(tái)機(jī)組蒸汽發(fā)生器的111焊縫在工廠生產(chǎn)時(shí)曾進(jìn)行了多次返修。

此外，由于結(jié)構(gòu)限制，“水袋”區(qū)域機(jī)加工粗糙，易存在劃痕和咬邊等缺陷，這也會(huì)增加額外的應(yīng)力。

2.3.3.4 工作環(huán)境和水化學(xué)工況

(1) 溫度和載荷頻率

10ГН2МФА 鋼在160～290 ℃水中有低頻10-8～10-6Hz應(yīng)變腐蝕開裂趨勢(shì)，尤其是在230～270 ℃時(shí)最為敏感[8]。ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器冷集流管擴(kuò)管區(qū)域和111焊縫區(qū)域的運(yùn)行溫度正好在260～290 ℃的溫度范圍內(nèi)，且處于低頻工況下，因此10ГН2МФА鋼對(duì)蒸汽發(fā)生器運(yùn)行工況下二次側(cè)鍋爐水比較敏感。

(2) 環(huán)境pH

在ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行工況下，10ГН2МФА鋼中的氫含量會(huì)增加，若在pH 4.5工況下保持1 000 h，10ГН2МФА鋼中的氫含量超過(guò)初始含量的1.5～1.8倍，運(yùn)行7 000 h，則接近初始含量的3倍。當(dāng)pH為9時(shí)，則沒(méi)有觀察到氫含量的增加。研究結(jié)果表明，環(huán)境pH對(duì)10ГН2МФА鋼的韌性存在明顯的影響[8]，pH降低會(huì)導(dǎo)致氫含量增加，使材料發(fā)生氫脆，韌性下降，最后發(fā)生損傷。鉆孔區(qū)域出現(xiàn)損傷前,機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和其二回路側(cè)水pH的耦合關(guān)系也驗(yàn)證了其影響[1]。

(3) 氧

二次側(cè)鍋爐水中氧氣含量不超過(guò)10 μg/kg，低于25倍的氧氣溶解閾值(260 ℃時(shí)閾值為0.25 mg/kg),即在ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行狀態(tài)下，氧對(duì)材料損傷的影響較?。坏鯕馊芙忾撝禃?huì)隨Cl-含量的增大而增大[2]，因此當(dāng)環(huán)境中存在Cl-時(shí)，需根據(jù)氧氣溶解閾值確定應(yīng)變致腐蝕開裂趨勢(shì)。

(4) 結(jié)垢成分和氧化物

采用爆炸脹管工藝加工ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器時(shí)，存在欠脹現(xiàn)象，即在二次側(cè)的傳熱管與集流管聯(lián)系帶之間留有間隙；而111焊縫位于底部，且存在“水袋”結(jié)構(gòu)。在這二個(gè)部位易沉積金屬氧化物。由于WWER機(jī)組二次側(cè)的氧化物主要是氧化鐵和氧化銅，當(dāng)氧化物中氧化銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后會(huì)導(dǎo)致10ГH2МФА鋼的塑性急劇降低，見圖4[8]。但對(duì)二回路進(jìn)行改造后，實(shí)際測(cè)量中氧化銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都遠(yuǎn)低于閾值(10%)。

圖4 氧化銅含量對(duì)10ГH2МФА鋼斷面收縮率的影響Fig. 4 Effect of CuO content on percentage reduction of area of 10ГH2МФА steel

烏克蘭哈利科夫物理技術(shù)研究所對(duì)波羅的海核電站的111焊縫進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，裂縫部分含有(Cr,Fe)3O4,(Cr,Fe)2O3,NiCr2O4，CuO等氧化物[7]。有些氧化物的比體積和硬度均高于母材的，易促進(jìn)金屬材料開裂，并改變裂紋周圍金屬的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。此外，由文獻(xiàn)[5]可知，俄羅斯多臺(tái)WWER機(jī)組集流管的裂紋縫隙中存在促進(jìn)陽(yáng)極溶解的Cu2+。

(5) 可溶性雜質(zhì)

在集流管附近的水空間(蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部)內(nèi)存在一個(gè)非受控區(qū)，該區(qū)域內(nèi)各種鹽類的含量超出連續(xù)排污水標(biāo)準(zhǔn)的0.5～1倍，這對(duì)集流管應(yīng)力腐蝕能產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于第一代蒸汽發(fā)生器，在熱集流管和熱端附近可溶性雜質(zhì)含量明顯比冷集流管附近可溶性雜質(zhì)含量高2～2.5倍，但溫度高的熱集流管鉆孔區(qū)域卻很少出現(xiàn)裂紋。該結(jié)果表明，可溶性雜質(zhì)不是冷集流管損傷的確定性原因[1]。

2.3.3.5 運(yùn)行工況

(1) 低頻循環(huán)運(yùn)行工況

水壓機(jī)設(shè)計(jì)院給出了WWER機(jī)組低頻10-7～10-6Hz循環(huán)工況(主要為啟停工況)對(duì)111焊縫應(yīng)力的影響，見表1[8]，并分析循環(huán)載荷對(duì)裂紋發(fā)展的影響。

結(jié)果表明，低頻10-7～10-6Hz循環(huán)工況對(duì)擴(kuò)管區(qū)域的運(yùn)行應(yīng)力貢獻(xiàn)相對(duì)較小，但當(dāng)裂紋中存在氧化物沉積物時(shí)，對(duì)擴(kuò)管區(qū)域和111焊縫區(qū)域的裂紋擴(kuò)展貢獻(xiàn)都較大，且都呈周期性變化。當(dāng)涉及到其他特殊工況時(shí)，如水壓試驗(yàn)工況、主蒸汽管道斷裂、應(yīng)急給水意外投入以及地震等，應(yīng)單獨(dú)分析處理，因?yàn)檫@些工況會(huì)引起應(yīng)力增加等影響。

表1 低頻10-7～10-6Hz循環(huán)工況對(duì)111焊縫應(yīng)力的影響Tab. 1 Effects of cyclic working condition at low frequency 10-7-10-6 Hz on stress in 111 weld

(2) 排污系統(tǒng)

早期排污系統(tǒng)除存在排污流量小的缺陷外，其定期排污管線之間沒(méi)有相互隔離，在定期排污投入時(shí),原管線中的冷水進(jìn)入111焊縫區(qū)域，該區(qū)域出現(xiàn)局部“淬冷”增加了其應(yīng)力[2]。

(3) 流體動(dòng)力載荷

通過(guò)測(cè)量НВАЭС 5號(hào)機(jī)組、КАЭС 2號(hào)機(jī)組, АЭС Козлодуй 5號(hào)機(jī)組和ХмАЭС 1號(hào)機(jī)組ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的流體動(dòng)力載荷可知：ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)的流體動(dòng)力載荷沒(méi)有引起傳熱管振動(dòng)水平的增加(振幅1.2～3 μm，加速度2.94～11.76 m/s2)，集流管頂蓋的位移最大不超過(guò)2.8 mm，不會(huì)引起任何危險(xiǎn)[5]。

2.3.3.6 維修質(zhì)量

НВАЭС 5號(hào)機(jī)組ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器111焊縫維修時(shí)的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在焊接預(yù)熱(150～200 ℃)和焊后局部熱處理(610～650 ℃)過(guò)程中，111焊縫存在加熱不均勻情況，從而使熱集流管發(fā)生一定的傾斜，分別在法蘭處存在4 mm和12 mm的偏移；而集流管外的應(yīng)力片測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在接管嘴外表面存在較大的拉應(yīng)力(約為100 MPa)[2]。

2.3.4 緩解措施

1) 自1988年初起，俄羅斯采用電渣重熔煉工藝冶煉10ГН2МФА鋼，其中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.005%，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.008%。捷克VTKOVICE公司則采用優(yōu)化后二次真空熔煉工藝冶煉10ГН2МФА鋼，該鋼的化學(xué)成分和各方面性能均與電渣重熔煉工藝冶煉的10ГН2МФА鋼的水平相當(dāng)[9]。

2) 對(duì)于新制造的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器，直接增加集流管頂部和二次側(cè)頂蓋處法蘭之間的間隙(設(shè)計(jì)要求在制造完成后最小間隙不低于7 mm，正常為10 mm左右)。對(duì)于尚未發(fā)現(xiàn)裂紋的第1代的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器，則在其集流管移動(dòng)方向(從蒸汽發(fā)生器軸線向近殼體側(cè))220°弧內(nèi)將上述間隙擴(kuò)寬到10～12 mm；將集流管上端面(除去封蓋)與殼體孔筒體上端之間的位差加工到5 mm[1]。

3) 由于結(jié)構(gòu)的特殊性，ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器不可避免地的存在楔形非鉆孔區(qū)。在重新設(shè)計(jì)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器時(shí)，應(yīng)盡可能使楔形區(qū)域變得平緩些。同時(shí)，加大對(duì)楔形區(qū)域聯(lián)系帶渦流檢查的比例。

4) 優(yōu)化111焊縫區(qū)域的“水袋”結(jié)構(gòu)，將曲徑為20 mm(R20)的倒角增大至R50～R70，將R10倒角增大至R30，增加111焊縫到水袋底部的距離，以減少其應(yīng)力集中。以壓力7.84 MPa為例進(jìn)行計(jì)算，得在R20變徑處的拉應(yīng)力最大，為348 MPa，若將R20變?yōu)镽50，則變徑處的拉應(yīng)力變?yōu)?04 MPa，相對(duì)減低了144 MPa[10]。

5) WWER-1000機(jī)組早期設(shè)計(jì)有B-187，B-302等小系列機(jī)型，因其主管道和蒸汽發(fā)生器的連接方式不合理，導(dǎo)致在加熱和冷卻過(guò)程中蒸汽發(fā)生器膨脹或移動(dòng)受阻，111焊縫應(yīng)力相應(yīng)增加，后繼B-320系列改變了連接方式,因此后繼項(xiàng)目均為В-320系列及其基礎(chǔ)上改進(jìn)的WWER-1000機(jī)組。同時(shí)在設(shè)計(jì)上對(duì)主設(shè)備的支撐位移量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并需定期對(duì)主要設(shè)備的支撐進(jìn)行檢查和維護(hù)(如受阻，焊縫№111區(qū)域應(yīng)力將達(dá)到500 MPa或更高)[2]。

6) 1990年起，ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器改用液壓脹管工藝+機(jī)械補(bǔ)充脹管工藝制造，該工藝可以保證一定的過(guò)脹量，避免傳熱管二次側(cè)末端存在縫隙，造成沉積物堆積，防止腐蝕[1]。

7) 對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的WWER-1000機(jī)組ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的集流管鉆孔區(qū)進(jìn)行低溫退火處理，消除集流管加工特別是爆炸脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時(shí)去除金屬內(nèi)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的氫，以延長(zhǎng)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器的壽命[1]。雖然采用改進(jìn)工藝制造的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器沒(méi)有必要進(jìn)行低溫退火，但在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，俄羅斯仍對(duì)該工藝制造的蒸汽發(fā)生器整體進(jìn)行400～520 ℃低溫退火并保溫20 h的熱處理。

8) 優(yōu)化制造和維修過(guò)程中焊接和熱處理工藝，并對(duì)焊接和熱處理等質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以盡可能減小殘余應(yīng)力[11]。

9) 對(duì)二回路系統(tǒng)進(jìn)行改造，減少銅含量；優(yōu)化水化學(xué)工況，提高ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水和排污水的pH，同時(shí)控制氯離子和氧含量等。

10) 優(yōu)化ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免局部“淬冷”，并加大排污流量；在大修期間盡可能通過(guò)在二次側(cè)充滿還原性堿性溶液對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)，必要時(shí)進(jìn)行化學(xué)和機(jī)械沖洗[11]。

11) 延長(zhǎng)機(jī)組換料周期，保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，減少低頻運(yùn)行工況有利于ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器集流管的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

12) 優(yōu)化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)頻率。應(yīng)定期對(duì)集流管鉆孔區(qū)域聯(lián)系帶進(jìn)行自動(dòng)化渦流檢測(cè)；定期對(duì)于111焊縫區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)化超聲檢測(cè)， 并在其服役20 a后增加超聲檢測(cè)頻率。

13) 針對(duì)無(wú)損檢測(cè)制定合理可行的標(biāo)準(zhǔn)，如俄羅斯頒布《核電站設(shè)備、管道和其他構(gòu)件的母材、焊接接頭和堆焊表面在役檢查規(guī)定》中專門給出111焊縫的超聲檢查標(biāo)準(zhǔn)[12]。

14) 對(duì)111焊縫區(qū)域的應(yīng)力和缺陷狀態(tài)進(jìn)行在線跟蹤和監(jiān)督。

15) 對(duì)集流管材料的可維修性和維修技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前已將集流管的材料10ГН2МФА鋼的焊接后熱處理時(shí)間從РТД 2730.300.02-1991標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45 h延長(zhǎng)到75 h，以增加其可維修次數(shù)[13]。

俄羅斯從1991年起才開始采用弱堿性二回路水化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定其pH為9.0±0.2，之前沒(méi)有對(duì)pH進(jìn)行規(guī)定；2000年后，逐步提高堿性水化學(xué)工況(pH為9.4～9.7)，部分機(jī)組開始采用高堿性水化學(xué)工況(pH為9.7～9.95或更高)。而目前在111焊縫區(qū)域出現(xiàn)問(wèn)題的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器都是1988年前制造并投入運(yùn)行的，與俄羅斯機(jī)組二回路水化學(xué)工況的改進(jìn)歷史存在較高的耦合度。同時(shí)，對(duì)于部分早期制造且111焊縫處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)損傷的ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器，也需進(jìn)一步跟蹤研究分析。

3 結(jié)論與建議

(1) 集流管材料在高溫水下低頻應(yīng)變致應(yīng)力腐蝕機(jī)理是客觀存在的。通過(guò)研究和采取相關(guān)緩解、監(jiān)督措施后，鉆管區(qū)域損傷得到了有效的控制；而111焊縫區(qū)域的影響因素相對(duì)復(fù)雜，僅有部分ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器可通過(guò)緩解、監(jiān)督措施保證其壽期內(nèi)的運(yùn)行安全，其余還需通過(guò)維修措施來(lái)保證。

(2) 對(duì)于已運(yùn)行的機(jī)組，采用高pH二回路水化學(xué)工況和長(zhǎng)期保持穩(wěn)定工況(包括長(zhǎng)周期換料)等措施能明顯提高ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器集流管運(yùn)行的安全性。

(3) 集流管失效影響因素涉及材料、結(jié)構(gòu)、制造和運(yùn)行維修以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和水化學(xué)工況等，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面綜合分析并制定相應(yīng)的緩解措施。

(4) 關(guān)鍵部件的失效直接關(guān)系到設(shè)備本身和核電站的安全運(yùn)行，建立以關(guān)鍵部件失效機(jī)理為導(dǎo)向的設(shè)備老化管理體系是十分必要的。

(5) 跟蹤、分析并運(yùn)用其他WWER機(jī)組和PWR機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和成果，對(duì)ПГВ-1000臥式蒸汽發(fā)生器老化管理政策是至關(guān)重要的。