核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡區(qū)常見失效與應(yīng)對方法探討

張錢松

陽江核電有限公司 廣東 陽江 529500

1 脹管過渡區(qū)常見失效形式

EPRI（Electric Power Research Institute美國電力試驗研究所）在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究報告中整理了以往運行經(jīng)驗，壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器600MA（軋制退火合金）已經(jīng)出現(xiàn)過各種模式的失效降級。對于傳熱管脹管過渡區(qū)，主要有如下類型：軸向PWSCC（一回路應(yīng)力腐蝕開裂）；環(huán)向PWSCC；熱端管板頂部外徑環(huán)向SCC；熱端管板頂部外徑軸向和體積IGA/SCC；其他失效形式。

從上述主要失效類型分析。壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡區(qū)的各類主要失效形式中，應(yīng)力腐蝕是導(dǎo)致傳熱管降質(zhì)的最主要的失效機理。而應(yīng)力腐蝕開裂與材料、應(yīng)力和腐蝕環(huán)境密切相關(guān)。

2 影響因素分析

目前國內(nèi)外已在實驗研究和工程應(yīng)用上對傳熱管失效形式的影響因素進行研究分析，主要從傳熱管材料、脹管處理工藝、水化學(xué)環(huán)境影響因素方面進行分析和改進。

2.1 傳熱管材料

蒸汽發(fā)生器傳熱管材料選材歷經(jīng)304、316奧氏體不銹鋼，在氯離子和堿性環(huán)境中，304和316不銹鋼管材和管板間容易聚集氯離子和堿性離子，在即使含有微量氯離子的水中也會出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力腐蝕開裂[1]。

經(jīng)過試驗研究，隨著鎳含量的提高，材料發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的所需時間也越久，后續(xù)核電站采用鎳基600MA（軋制退火合金）固溶狀態(tài)作為蒸汽發(fā)生器傳熱管材料。但是，經(jīng)過運行驗證已發(fā)現(xiàn)A600 MA在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)環(huán)境下均很容易發(fā)生晶間腐蝕（IGA）及應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。

為了解決600MA合金的傳熱管因為PWSCC和ODSCC等類型應(yīng)力腐蝕開裂失效的問題。行業(yè)已開發(fā)研究出改進熱處理法來提升A600對IGA和SCC的耐腐能力。600改進熱處理合金（A600 TT）進行軋制退火后，以中等溫度（如704 °C或1300°F）進行一段較長時間（如15小時）的熱處理。經(jīng)過模擬壓水堆水化學(xué)環(huán)境，試驗結(jié)果表明傳熱管材料鎳含量應(yīng)當控制在17%到65%的范圍內(nèi)時，抗應(yīng)力腐蝕效果最佳，如圖2-1所示。后來開發(fā)800合金（A800 NG）的鉻含量更高，鎳含量更低，也已被應(yīng)用于SG，被德國和加拿大的PWR廣泛采用。后來又開發(fā)出690改進熱處理合金（A690 TT）。各國已開展大量試驗，其證實相較其他合金，特別是690改進熱處理合金（690TT）的耐腐性更好。

圖2-1 不同鎳含量的合金對應(yīng)力腐蝕開裂敏感度對應(yīng)關(guān)系

2.2 脹管工藝

最早的蒸汽發(fā)生器設(shè)計，對管子實施機械脹管，只在一次側(cè)管板面處將管板幾英寸的縫隙封住。機械脹管的管板縫隙處的管子外徑面發(fā)生晶間腐蝕。西屋后來使用爆炸脹管法完成全深度脹管。西屋后續(xù)開發(fā)了液壓脹管法，其已被應(yīng)用到配A600 TT和A690 TT管子的美國所有蒸汽發(fā)生器。

液壓脹管相比傳統(tǒng)機械脹管，具備如下特點：脹管芯軸插入傳熱管而不損傷傳熱管內(nèi)壁；脹管深度及定位精確，最大限度地保證了傳熱管與管板的根部間隙減少；液壓脹管無機械擠壓而產(chǎn)生的冷作硬化，根部殘余應(yīng)力較小，腐蝕傾向比機械滾壓脹管小得多。

2.3 水化學(xué)環(huán)境

根據(jù)美國和法國核電廠的運行經(jīng)驗，在運行期間的水化學(xué)環(huán)境也會對傳熱管質(zhì)量降質(zhì)產(chǎn)生影響。對于蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡區(qū)而言一回路水化學(xué)環(huán)境控制主要是控制水中有害雜質(zhì)如下：

2.3.1 氯化物：選用奧氏體不銹鋼作為蒸汽發(fā)生器傳熱管材料容器受氯離子引起應(yīng)力腐蝕，選用因科鎳690TT材料，鎳含量≥58%，經(jīng)試驗研究該含量處于氯離子應(yīng)力腐蝕不敏感區(qū)。EPRI在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究報告表明在pH＞3的氯化物環(huán)境中，690TT材料的相對于600MA改善因子大于等于20， 690TT出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的所需時間至少是600MA材料所需時間的20倍以上

2.3.2 濃堿環(huán)境（NaOH、LiOH）：苛性鈉是蒸汽發(fā)生器傳熱管鎳基合金晶間苛性腐蝕的主要潛在原因之一。高濃度下，鎳基合金也會產(chǎn)生裂紋。EPRI研究表明在苛性鈉濃度更高時，690TT相比600MA的改善因子偏低，因此要控制鈉雜質(zhì)的含量。

目前，國內(nèi)外核電廠二次側(cè)水化學(xué)處理通常采用全揮發(fā)水化學(xué)處理（AVT）。這種全揮發(fā)性添加劑隨著汽水循環(huán)，不會形成局部濃縮或游離，能比較有效地防止對蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕。而隨著給水進入蒸汽發(fā)生器的可溶性雜質(zhì)、懸浮物或少量凝汽器泄漏雜質(zhì), 可通過排污系統(tǒng)予以清除。

3 國內(nèi)某CPR類型核電機組在工程實踐中針對失效的應(yīng)對方法

3.1 傳熱管材料

按照RCC-M（2000+2002補遺）規(guī)范要求，國內(nèi)某CPR類型核電機組蒸汽發(fā)生器傳熱管全部采用因科鎳690改進型熱處理合金（690TT）。

RCC-M（2000+2002補遺）規(guī)范關(guān)于用于蒸汽發(fā)生器傳熱管材料化學(xué)成分要求

3.2 脹管工藝

國內(nèi)某CPR類型核電機組蒸汽發(fā)生器脹管工藝全部使用的是全深度液壓脹管，該脹管工藝比傳統(tǒng)機械脹管在殘余應(yīng)力控制上更好，從應(yīng)力方面減少了應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素。

3.3 水化學(xué)環(huán)境

國內(nèi)某CPR類型核電機組蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水采用全揮發(fā)處理（無銅合金），一二回路水質(zhì)控制良好，正常運行期間各項水質(zhì)主要參數(shù)均控制在化學(xué)與放射化學(xué)規(guī)范期望值范圍內(nèi)。且凝汽器采用鈦管，從材料上減少了海水進入二回路系統(tǒng)的可能性。

4 結(jié)束語

根據(jù)法國反饋，實施蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡區(qū)的MRPC檢查主要是為了發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕缺陷等失效形式。從國內(nèi)外實驗研究和經(jīng)驗反饋，目前國內(nèi)某CPR類型核電機組蒸汽發(fā)生器從傳熱管選材、脹管工藝、水化學(xué)環(huán)境工藝和控制以及二次側(cè)泥渣清洗和沉積情況，都是按照行業(yè)內(nèi)先進的處理方式，對于應(yīng)力腐蝕缺陷具有較強的抵抗能力。