三門核電二回路腐蝕產物取樣優(yōu)化及應用

苗麗 鐘鐵 李春亮

(三門核電有限公司 化學處，浙江 臺州 317100)

0 引言

電站運行后，隨給水遷移至SG 的腐蝕產物和雜質，以及SG 自身產生的腐蝕產物，會在蒸汽發(fā)生器管板、傳熱管表面、支撐板縫隙等區(qū)域沉積、結垢。沉積的腐蝕產物會影響SG 傳熱管的傳熱效率，同時也會形成惡劣的縫隙化學環(huán)境，加劇傳熱管腐蝕，影響SG 傳熱管的完整性。因此，電站有必要監(jiān)督給水及SG 排污水中腐蝕產物含量，以判斷給水腐蝕產物向SG 的遷移量以及SG 內水化學環(huán)境，同時也是評估SG 進行機械或化學清洗必要性依據(jù)之一。

三門核電二回路取樣系統(tǒng)設計上有兩套腐蝕產物取樣裝置，分別為SG 排污腐蝕產物取樣裝置及給水腐蝕產物取樣裝置。兩套腐蝕產物取樣裝置均布置于二回路集中取樣間(遠離常規(guī)島第一跨)。在1 號機組熱態(tài)試驗期間，化學人員經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)SG 排污取樣管線和給水取樣管線過長、過粗，導致取樣水流速低于行業(yè)導則要求的1.5～2.1m/s，使得SG 排污和給水腐蝕產物取樣缺乏代表性。最終通過變更SG 排污和主給水腐蝕產物取樣點位置、取樣管線管徑后，確保了腐蝕產物取樣的代表性。1 號機組首循環(huán)期間，給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置自2018 年6 月7 日開始投運，截止2019 年11 月13 日，累計收集75 次樣品，精確計算了SG 二次側腐蝕產物累積量，為優(yōu)化二回路水化學控制策略提供依據(jù)。

1 對腐蝕產物樣品的監(jiān)督要求

二回路中腐蝕產物主要以顆粒物形態(tài)存在，大部分為鐵的金屬氧化物。雖然顆?？梢跃鶆虻胤植荚诹黧w中，但會在取樣管線表面沉積并長期連續(xù)釋放，從而影響取樣的代表性(1)。另外，機組正常運行時給水系統(tǒng)腐蝕產物濃度一般都很低，一般需要分析累積樣品，確保分析結果的準確性。

EPRI 二回路水化學導則第7 章明確規(guī)定，為了提高獲得有代表性樣品的可能性，應考慮：(1)取樣管線應盡可能短和減少彎頭數(shù)量；(2)建議取樣流速為6fps(英尺/秒)，或使用1/4 英寸取樣管道。

ASTM D 6301-03(水中可濾和不可濾物質樣品采集的標準實施規(guī)范)6.5 章明確要求：取樣管線流速過低會導致樣品中物質沉降或沉積，因此，取樣管線必須維持湍流且流速維持在1.5-2.1m/s。

2 原設計給水及SG排污腐蝕產物取樣存在的問題

隨給水向SG 遷移的腐蝕產物總量主要通過腐蝕產物取樣裝置進行取樣、分析、計算。在腐蝕產物取樣裝置過濾器上放置一張已恒重的0.45μm 濾膜，調節(jié)一定流量的主給水通過濾膜，腐蝕產物被濾膜截留，一定時間(通常為每周)后更換濾膜，對舊濾膜溶解后測量Fe 含量，表征腐蝕產物總量。具體流程如圖1 所示。

圖1 腐蝕產物取樣流程示意圖

3.1 取樣流速不滿足行業(yè)導則要求

二回路取樣系統(tǒng)原設計中SG 排污取樣管線設計為DN25(Φ32×3)，材質為S30403，管道長度約170m，；主給水取樣管線設計為DN10(Φ16×3)，材質為S30403，管道長度約150m。1 號機組熱態(tài)補充試驗期間，化學人員通過讀取分析儀表入口流量計讀數(shù)、估算就地取樣流量結合管道長度，計算得出SG 排污和給水樣品流速分別為0.034m/s、0.12m/s，取樣延時分別為84 分鐘和12 分鐘，具體計算數(shù)據(jù)見表1，和EPRI 導則及行業(yè)導則對腐蝕產物測量的流速要求相差甚遠，影響取樣代表性，進而影響對SG 和給水管道腐蝕狀態(tài)的判斷。

表1 SG排污及給水取樣流速信息表

3.2 腐蝕產物取樣裝置密封性差

三門核電二回路原設計給水及SG 腐蝕產物取樣裝置位于二回路集中取樣間，型號為Millipore 廠家管線內換膜過濾器，材料為聚丙烯，尼龍手輪旋鈕，具體如圖2 所示。該裝置要求使用的濾膜為密理博 HAWPO4700(0.45um)，流體最高溫不能超過55℃，建議在50℃下使用。濾膜的推薦過流量為60ml/min·cm2，實驗室實際使用過程中控制流量不超過200ml/min。該腐蝕產物取樣裝置實際使用過程中多次發(fā)生聚丙烯過濾器變形、密封性變差導致裝置漏水情況，影響對流經(jīng)腐蝕產物取樣裝置累計流量的統(tǒng)計，影響SG 二次側腐蝕產物累積量統(tǒng)計的準確性。

4 給水及SG排污腐蝕產物取樣優(yōu)化方案

在發(fā)現(xiàn)原設計給水及SG 排污取樣管線過長、過粗，導致取樣水流速過低、取樣延遲時間長，影響對給水及SG 排污腐蝕產物監(jiān)測的準確性，進而影響對給水及SG 管道腐蝕狀態(tài)的判斷問題后，化學人員在2017 年對給水及SG 排污腐蝕產物取樣提出變更需求，最終對原設計給水及SG 排污腐蝕產物取樣方式進行了如下優(yōu)化：

(1)新增一套給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置，原裝置棄用。新裝置就地布置，布置在汽輪機廠房0.00m 層，給水取樣高溫高壓架一側(臨近第一跨)。新裝置為成套設備，冷卻水通過的管道、冷卻器、閥門、測量池、管接頭及其它部件均為不銹鋼S30403 材質，保證了腐蝕產物取樣裝置的可靠性。新裝置如圖3 所示。

圖2 給水及SG腐蝕產物取樣裝置示圖

(2)將SG 排污取樣管線管徑由DN25(Φ32×3)改為DN8((Φ12×2)，并引一路取樣管DN6(Φ10×2)至就地SG 排污腐蝕產物取樣裝置。

(3)將高加出口總管取樣管在止回閥之后的管徑，由DN10(Φ16×3)改為DN6 (Φ10×2)，并引一路取樣管線至就地給水腐蝕產物取樣裝置。

圖3 優(yōu)化后給水及排污腐蝕產物取樣裝置圖

變更完成后，經(jīng)化學人員就地取樣驗證，取樣流速約2m/s,保證了腐蝕產物取樣的代表性。。

5 給水及SG腐蝕產物取樣裝置應用

5.1 隨給水遷入SG的腐蝕產物統(tǒng)計

三門核電1 號機組運行期間，腐蝕產物總量計算以機組燃料循環(huán)周期進行，除氧器開始向SG 供水后投運給水腐蝕產物取樣裝置，開始收集給水腐蝕產物，SG 建立連續(xù)排污后投運SG 排污腐蝕產物取樣 裝置，開始收集SG 排污腐蝕產物，在開始停堆大修，主給水、排污樣品斷流后結束，期間以周為單位(7天)收集給水、SG 排污中的腐蝕產物。根據(jù)EPRI 二回路水化學導則的建議以及參考美國同行電站的經(jīng)驗，腐蝕產物總量計算時以鐵含量的計算結果為準，計算公式如下：

式中：F給水為單臺SG 周累積給水流量，t；CFe-給水為當周給水Fe 含量(腐蝕產物收集裝置的測量結果)，μg/L；CFe-排污為當周排污Fe 含量(腐蝕產物收集裝置的測量結果)，μg/L；F排污為單臺SG 周累積排污流量，t；m為某一個燃料循環(huán)內單臺SG 內累積的腐蝕產物量，g；m給水為某一個燃料循環(huán)內給水遷移至單臺SG 二次側腐蝕產物周累積量，g；m排污為某一個燃料循環(huán)內單臺SG 排污腐蝕產物周累積量，g。

1 號機組首循環(huán)期間，給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置自2018 年6 月7 日開始投運，截止2019 年11 月13 日，累計收集75 次樣品，根據(jù)公式(1)、(2)、(3)使用膜溶解后的鐵含量進行計算，鐵遷移至SG 累積的量為459.8 公斤。

5.2 101大修SG管板沖洗泥渣量統(tǒng)計

三門核電101 大修期間對1 號機組兩臺SG 進行了150bar手孔直槍沖洗以及手孔斜槍沖洗，兩臺SG 二次側管板共沖出濕泥渣30.074kg，濾芯烘干后，干泥渣總重為6.495kg。其中SG A 沖出濕泥渣重14.095kg，干泥渣重2.521kg；SG B 沖出濕泥渣重15.979kg，干泥渣重3.974kg。

5.3 首循環(huán)SG內部沉積腐蝕產物評估

根據(jù)隨給水遷入SG 的腐蝕產物統(tǒng)計量和SG 管板沖洗泥渣量統(tǒng)計結果，1 號機組首循環(huán)SG 內部沉積的腐蝕產物的量為453.3kg(采用鐵含量進行計算)。

三門核電二回路目前采用聯(lián)氨-氨全揮發(fā)控制模式，第一燃料循環(huán)受制于凝結水精處理系統(tǒng)(CPS)未完全退出影響，給水pH 值控制在9.5 左右，由于氨的汽液分配比不均衡，導致疏水系統(tǒng)pH 值僅為9.0 左右，給水及疏水鐵含量變化趨勢如圖4所示。從碳鋼材料腐蝕速率隨pH 值變化曲線可以看出pH 值對碳鋼的腐蝕速率影響很大，疏水系統(tǒng)pH 值過低，增加了系統(tǒng)管道設備的流動加速腐蝕風險。二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢如圖4 所示。

圖4 二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢

從圖4 可以看出，第一燃料循環(huán)，給水鐵含量維持在5ppb左右， MS 疏水Fe 含量維持在20-30ppb，為給水腐蝕產物的主要來源。

根據(jù)SG 的結構判斷，腐蝕產物可能沉積的區(qū)域包括泥渣收集器、支撐板、管熱管和管板區(qū)域。其中由于SG 傳熱管面積大，絕大多數(shù)腐蝕產物沉積在SG 傳熱管表面。

AP1000 單臺SG 中包含100025 根傳熱管，傳熱面積11477平方米，傳熱管壁厚為1.04mm。按照之前的計算，首循環(huán)單個SG 中沉積的腐蝕產物226kg，假定這些腐蝕產物全部均勻沉積在傳熱管表面，將導致傳熱管增厚2.5um，從當前運行數(shù)據(jù)看沒有對傳熱效率造成影響。B&W 推薦當SG 中沉積物量達到10-14 克/每平方英尺之間時，需對SG 傳熱管表面執(zhí)行化學清洗。按照我廠的傳熱管面積估算，總累計量約為3000kg 時，才需要進行化學清洗，目前不需要對SG 進行化學清洗。

6 二回路水化學控制策略優(yōu)化方向

核電廠投入運行后，二回路系統(tǒng)設備材料已經(jīng)確定，無法通過大規(guī)模材料優(yōu)化來降低設備腐蝕，減少向SG 內遷移沉積。所以對于運行的核電站二回路的腐蝕控制只能通過化學手段來實現(xiàn)，這主要包括兩個方面，一是優(yōu)化當前二回路熱力系統(tǒng)化學控制模式，盡可能地降低二回路系統(tǒng)設備的腐蝕，最大限度地降低腐蝕產物向SG 遷移；二是通過添加分散劑和化學清洗等手段，將沉積在SG 內的腐蝕產物除去。

6.1 二回路采用替代胺pH控制模式

三門核電目前正在開展二回路替代胺可行性研究，開展聯(lián)氨-氨-乙醇胺(ETA)控制模式優(yōu)化工作。ETA 由于其較低的汽液分配比(2)，若其替代氨作為二回路系統(tǒng)堿化劑，可以實現(xiàn)二回路各子系統(tǒng)的pH 值均勻分布，提高疏水系統(tǒng)pH 值，減緩二回路系統(tǒng)汽水界面區(qū)域發(fā)生FAC，減少腐蝕產物向蒸汽發(fā)生器的遷移，達到降低蒸汽發(fā)生器內部腐蝕產物沉積目的。

6.2 向SG中添加分散劑

分散劑聚丙烯酸(PAA)是帶有負電荷的合成聚合物或天然有機物，可以吸附在腐蝕產物的顆粒表面及已經(jīng)形成的垢層表面上，使它們帶有相同的電荷而產生斥力，從而抑制沉積物的形成過程，增強腐蝕產物顆粒在水中懸浮能力，從而通過排污除去，從而達到減少沉積量。根據(jù)國際上使用分散劑的核電站經(jīng)驗，添加分散劑具有：降低SG 積污率、提高SG 熱效率、減少機組啟動時鐵的遷移、提高SG 水力沖洗效果等優(yōu)點。目前國外添加分散劑的方式主要有機組大修停運前及SG 濕保養(yǎng)添加、機組啟動過程二回路大循環(huán)時添加以及機組正常運行期間連續(xù)添加三種方式(3)。

根據(jù)國外核電站應用經(jīng)驗，結合三門核電首循環(huán)SG 內沉積腐蝕產物總量及101 大修水力沖洗沖出腐蝕產物總量，建議三門核電選擇在機組大修停運期間及SG 濕保養(yǎng)添加分散劑的應用方式。該方式有助于增加停運期間SG 內沉積的腐蝕產物排出，同時為SG 水力沖洗SG 內沉積的硬垢去除創(chuàng)造條件。三門核電后續(xù)還需開展材料的兼容性試驗和評估及PAA 濃度分析方法建立。

7 結語

三門核電通過變更對SG 排污和主給水腐蝕產物取樣進行優(yōu)化，確保了腐蝕產物取樣的代表性，并在機組首循環(huán)期間進行了成功應用，通過統(tǒng)計1 號機組首循環(huán)內隨給水引入和隨排污帶出SG 的腐蝕產物的量，并結合101 大修期間水力沖洗去除的腐蝕產物的量，計算出殘留在SG 中的腐蝕產物的量，據(jù)此評估明確了后續(xù)二回路水化學控制策略優(yōu)化方向。