鋯合金包殼二次氫化破損模擬方法研究

馬 雁 張智鑫 陳嘉威

（華北電力大學(xué) 北京 102206）

壓水堆中的鋯包殼管會(huì)與一回路冷卻劑發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生吸氫行為［1］，吸收的氫在溫度梯度的作用下在鋯中擴(kuò)散、固溶［2-3］，當(dāng)包殼管的吸氫量超過(guò)其極限固溶度時(shí)，會(huì)析出大量氫化物［4］，導(dǎo)致鋯管脆性增加。當(dāng)鋯包殼管在運(yùn)行工況下由于氫脆、格架磨損等原因產(chǎn)生破損時(shí)，一回路冷卻水會(huì)通過(guò)破損處流入鋯包殼管與燃料元件的間隙，并在管壁內(nèi)外側(cè)壓差作用下閃蒸為水蒸氣，進(jìn)而使破損位置上方包殼管內(nèi)壁發(fā)生氫脆破損，稱(chēng)為二次氫化失效［5-6］。目前已有的鋯包殼管堆外模擬研究主要探究了該過(guò)程中的鋯氫反應(yīng)、氫化物分布、鋯管形變及力學(xué)性能變化等問(wèn)題。Lee等［7］應(yīng)用高壓釜研究了二次氫脆發(fā)生時(shí)的鋯氫反應(yīng)過(guò)程，研究分析發(fā)現(xiàn)，二次氫脆現(xiàn)象需同時(shí)滿(mǎn)足氧化物降解與蒸汽不足條件，而高壓釜實(shí)驗(yàn)無(wú)法為鋯合金包殼內(nèi)外壁提供溫差，未成功模擬二次氫脆現(xiàn)象發(fā)生的過(guò)程；Grosse等［8］則通過(guò)模擬LOCA工況下的二次氫化，研究了氫的分布規(guī)律；Kumar等［9］自行設(shè)計(jì)了堆外模擬裝置，研究了鋯合金包殼在二次氫脆發(fā)生過(guò)程中的形變現(xiàn)象；Okada［10］運(yùn)用Yamato［11］和Takanori［12］等設(shè)計(jì)完善的實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)估了鋯包殼氧化和二次氫化對(duì)包殼管抗彎強(qiáng)度的影響。而此類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置屬于模擬動(dòng)態(tài)循環(huán)回路，其制造資金較高，且運(yùn)行周期相對(duì)較長(zhǎng)，存在單次實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)用于研究氫脆、二次氫脆等現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，未同時(shí)模擬完成一回路工況及鋯合金包殼在反應(yīng)堆中的工作環(huán)境。

根據(jù)鋯包殼管的實(shí)際運(yùn)行工況，參考現(xiàn)有的堆外模擬實(shí)驗(yàn)裝置，自主設(shè)計(jì)了用于模擬傳統(tǒng)鋯包殼管二次氫脆過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置提供了一種實(shí)現(xiàn)一回路工況與二次氫脆過(guò)程模擬的新技術(shù)手段。此外碳化硅包殼與鋯合金包殼燃料的中子性能基本一致，且碳化硅包殼包括足夠的抗氧化與蠕變性、輻照穩(wěn)定性、耐熱性及低熱中子俘獲截面，獨(dú)特的材料特性可以提高安全性和經(jīng)濟(jì)性［13］。本文通過(guò)對(duì)裝置運(yùn)行后ZIRLO合金管進(jìn)行宏觀與微觀分析，充分驗(yàn)證了該技術(shù)手段的可行性，也為后續(xù)探究碳化硅包殼二次氫脆現(xiàn)象提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)壓水堆一回路運(yùn)行工況并模擬二次氫脆過(guò)程，因此該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足高溫、高壓及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。針對(duì)實(shí)驗(yàn)需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置主試驗(yàn)段及輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了熱工驗(yàn)證及優(yōu)化。

1.1 主實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)

主實(shí)驗(yàn)段為該實(shí)驗(yàn)裝置的核心（圖1（b）），主要由上下法蘭、壓力容器管、鋯合金包殼、電加熱棒等部分組成，是模擬一回路工況與二次氫脆過(guò)程的載體。裝置上下法蘭保證裝置的密封，且上法蘭滿(mǎn)足系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的安裝需求，因此在上法蘭設(shè)計(jì)共計(jì)5個(gè)出孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶、壓力表、充水充氣管路和安全閥的安裝需求。

圖1 二次氫脆實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置 (a)裝置整體實(shí)物圖，(b)主實(shí)驗(yàn)段，(c)卡套管接頭、法蘭連接，(d)熱電偶管、法蘭連接，(e)壓力容器管、法蘭連接，(f)端塞、包殼連接 1.卡套管接頭，2.頂部法蘭蓋，3.頂部法蘭，4.螺栓，5.螺母，6.密封墊片，7.壓力容器管，8.鋁合金包殼，9.電加熱棒，10.熱電偶管，11.底部法蘭，12.底部法蘭蓋，13.端塞Fig.1 Secondary hydrogen embrittlement experimental simulation device (a)Overall physical diagram of the device,(b)Main test section,(c)Tube fitting,flange connection,(d)Thermocouple tube,flange connection,(e)Pressure vessel tube,flange connection,(f)End plug,cladding connection.1.Tube fitting,2.Top flange cover,3.Top flange,4.Bolt,5.Nut,6.Gasket,7.Pressure vessel tube,8.Zirconium alloy cladding,9.Electric heating rod,10.Thermocouple tube,11.Bottom flange,12.Bottom flange cover,13.End plug

本裝置設(shè)計(jì)壓力為18 MPa，根據(jù)GB150—2011［14］與二次氫脆模擬需要，綜合徑向與軸向尺寸比例，選用1.3 m長(zhǎng)的圓筒形奧氏體不銹鋼304L作為壓力容器，并通過(guò)針對(duì)壓力容器管壁的強(qiáng)度計(jì)算確定其厚度。GB150-2011給出內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式如下：

式中：δ、Di為圓筒的計(jì)算厚度、內(nèi)徑分別；δsd為壓力容器的設(shè)計(jì)厚度；C1、C2為腐蝕裕量和負(fù)偏差分別。將壓力容器管內(nèi)徑設(shè)計(jì)值26 mm代入式（1），求得δ=5.06 mm；根據(jù)GB150—2011取C1、C2分別為0 mm和0.2 mm，代入式（2）得δsd=5.26 mm。因此，綜合加工與安全性需求，取6 mm作為壓力容器管的壁厚。

由于二次氫化破損常發(fā)生于一次破口上方0.5 m以上位置，因此選用長(zhǎng)度、壁厚、外徑為1 m、0.572 mm、9.5 mm的ZIRLO合金管作為模擬用包殼管，在底部加工出內(nèi)徑為70μm的貫通小孔作為預(yù)置破口，并在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)封堵。

使用電加熱棒模擬堆芯燃料元件，為鋯包殼管提供內(nèi)外壁之間的溫度梯度。該加熱棒外徑（8±0.05）mm，加熱段最大功率3 kW、長(zhǎng)度（150±2）mm，前端、尾端非發(fā)熱段長(zhǎng)度為450 mm、400 mm。

1）電加熱棒與鋯包殼管內(nèi)壁溫差

電加熱棒和包殼管內(nèi)壁間為間隙傳熱，近似導(dǎo)熱，可根據(jù)關(guān)系式［14］進(jìn)行計(jì)算：

式中：qs為加熱棒面熱流密度，由加熱棒電功率除以加熱棒表面積計(jì)算；ru為加熱棒外徑；rin為鋯包殼管內(nèi)壁半徑；λg為間隙導(dǎo)熱系數(shù)。

2）鋯包殼管內(nèi)外壁溫差

鋯包殼管內(nèi)外壁之間的傳熱可看作導(dǎo)熱，由關(guān)系式［14］計(jì)算：

式中：rin和rout分別為鋯包殼管內(nèi)外壁半徑；λ為鋯包殼導(dǎo)熱系數(shù)；qin為鋯包殼內(nèi)壁面熱流密度。

3）鋯包殼外壁與水換熱溫差

在計(jì)算鋯包殼管外壁與水之間的傳熱時(shí)，簡(jiǎn)化模型為均勻熱流條件下的自然對(duì)流傳熱，可由關(guān)系式［15］計(jì)算包殼管外壁與水之間的溫差：

式中：hf為對(duì)流換熱系數(shù)；λf為水的導(dǎo)熱系數(shù)。

將水溫Tf設(shè)為593.15 K，將相應(yīng)溫度下的各參數(shù)值代入上述公式計(jì)算中，計(jì)算徑向溫度分布（圖2），可以看出，加熱棒可以為鋯包殼管內(nèi)外壁提供一定的溫度梯度。

圖2 主試驗(yàn)段徑向溫度分布Fig.2 Radial temperature distribution in the main test section

1.2 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輔助系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)主試驗(yàn)段的壓力容器、鋯管及電加熱棒間的充氣充水、電氣控制、溫度測(cè)控以及安全保護(hù)。主試驗(yàn)段的溫度測(cè)控主要是由布置于距ZIRLO管底部50 mm、500 mm、800 mm處的下、中、上3根K型鎧裝熱電偶測(cè)得，其長(zhǎng)度分別為950 mm、500 mm、200 mm，內(nèi)徑和外徑分別2 mm和4 mm，由上法蘭處通入壓力容器內(nèi)部，并固定于ZIRLO包殼管外壁面上。安全保護(hù)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：當(dāng)主實(shí)驗(yàn)段溫度高于350℃時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)強(qiáng)制斷電；當(dāng)壓力容器內(nèi)壓力大于等于18 MPa時(shí)，位于上法蘭處的安全閥會(huì)自動(dòng)泄壓以保證系統(tǒng)安全。

1.3 熱工驗(yàn)證及優(yōu)化

為檢驗(yàn)該裝置的可靠性與穩(wěn)定性，進(jìn)行3次熱工實(shí)驗(yàn)。第一次熱工實(shí)驗(yàn)僅由電加熱棒提供加熱，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)溫度分布不均勻，造成此現(xiàn)象原因是裝置內(nèi)部為窄縫空間，當(dāng)內(nèi)部水受到熱源的加熱，由于加熱段位于加熱棒的中部，壓力容器內(nèi)中部的水受熱向上流動(dòng)，而下部的水則長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法獲得熱量，即裝置內(nèi)出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象。為解決壓力容器內(nèi)水溫分布不均勻的問(wèn)題，且考慮為避免對(duì)鋯包殼管內(nèi)電加熱棒加熱段的徑向溫度分布產(chǎn)生影響，外加熱源設(shè)置在加熱棒加熱段下方。即在實(shí)驗(yàn)裝置下部安裝5組小型外加熱爐，總加熱功率750 W，覆蓋長(zhǎng)度0.5 m，并開(kāi)展第二次熱工實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中為避免實(shí)驗(yàn)裝置超溫的問(wèn)題，即實(shí)驗(yàn)中采用分步調(diào)節(jié)加熱的方法，圖3（a）為第二次熱工試驗(yàn)的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，對(duì)加熱棒和外加熱爐分段、逐步升溫，可保證裝置的穩(wěn)定升溫，但裝置內(nèi)溫度分布仍然存在熱分層現(xiàn)象，底部和中部熱量分別由外加熱爐和加熱棒提供，而裝置上部熱量是由水的自然循環(huán)提供。由于整套裝置未進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，與外界存在熱量交換，而且裝置內(nèi)壓力低于水的飽和蒸汽壓，壓力容器內(nèi)的水存在汽化現(xiàn)象。

根據(jù)第二次熱工實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，為裝置全段添加了與外界環(huán)境隔熱的保溫層，并開(kāi)展第三次熱工試驗(yàn)。圖3（b）為第三次熱工實(shí)驗(yàn)的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，在進(jìn)行隔熱處理后，裝置上、中、下部的熱量分布基本均勻，且溫度能夠達(dá)到320℃，實(shí)現(xiàn)壓水堆一回路工況的模擬，為鋯合金包殼的二次氫脆現(xiàn)象提供模擬環(huán)境，符合設(shè)計(jì)工況要求。

圖3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) (a)外加熱源溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，(b)保溫層溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Temperature monitoring data of the validation experiment (a)Temperature monitoring data of the external heat source,(b)Temperature monitoring data of the insulation layer

2 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行

根據(jù)二次氫脆過(guò)程模擬工況，需要預(yù)置破口在200℃以下處于封堵?tīng)顟B(tài)，并在200~300℃間發(fā)生貫穿，模擬冷卻劑閃蒸過(guò)程，因此需要確定針對(duì)預(yù)置破口的封堵方案、確定封堵材料和工藝，保證破口在預(yù)定溫度范圍內(nèi)發(fā)生貫穿。使用熔點(diǎn)150℃的瞬間膠水JD_426封堵小孔（圖4），實(shí)驗(yàn)前向裝置內(nèi)加入500 mL除氧超純水，使用外熱源將裝置逐步加熱至253℃，此時(shí)管外壓力為4.10 MPa，管內(nèi)壓力0.165 MPa，并維持該工況運(yùn)行7 h，待取出后向鋯管內(nèi)充入1.5 MPa氮?dú)鈾z查小孔，小孔處有皂泡鼓起確認(rèn)已貫穿。根據(jù)鋯管內(nèi)外壓差與7 h的工況監(jiān)測(cè)可以判斷小孔貫穿后的滲水緩慢，可滿(mǎn)足試驗(yàn)開(kāi)展需求。

圖4 ZIRLO合金預(yù)置破口 (a)膠封前，(b)膠封后Fig.4 ZIRLO alloy pre-set breach (a)Before gluing,(b)After gluing

完成預(yù)置破口封堵后，向壓力容器管與ZIRLO合金管內(nèi)充入650 mL除氧水，并逐步升溫至設(shè)計(jì)工況。在溫度加熱至250℃后小孔貫通，鋯管與加熱棒間隙間壓力以大約2 MPa?h-1的速率逐步從0 MPa提升到12 MPa左右，最終穩(wěn)定并略低于壓力容器內(nèi)的壓力值，證明壓力容器內(nèi)的水通過(guò)預(yù)置破口緩慢流入間隙并汽化。圖5為裝置運(yùn)行60 d中的工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定良好。

圖5 二次氫脆實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置運(yùn)行工況監(jiān)測(cè) (a)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，(b)壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Operating conditions monitoring of secondary hydrogen embrittlement experimental simulator(a)Temperature detection data,(b)Pressure detection data

3 ZIRLO合金管模擬結(jié)果分析

整套二次氫脆實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置首次完成運(yùn)行后停機(jī)、取樣，對(duì)模擬后的ZIRLO合金包殼管進(jìn)行分析。在距ZIRLO合金管底端200 mm、400 mm、600 mm位置取樣，通過(guò)掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）顯微分析其氧化及吸氫狀態(tài)（圖6），在包殼管內(nèi)外壁表面均生成氧化層，包殼管內(nèi)部形成氫化物，可說(shuō)明ZIRLO管內(nèi)外壁在模擬過(guò)程中均發(fā)生了明顯的鋯水反應(yīng)。

圖6 模擬后ZIRLO合金管內(nèi)外壁氧化層及氫化物SEM顯微 (a)外壁形貌，(b)內(nèi)壁形貌，(c)對(duì)應(yīng)反應(yīng)過(guò)程Fig.6 SEMmicroscopy of inner and outer wall oxidation layer and hydride of ZIRLO alloy tube after simulation(a)Outer wall morphology,(b)Inner wall morphology,(c)Corresponding reaction process

對(duì)各位置截面進(jìn)行打磨、拋光及侵蝕處理，觀察金相顯微圖像（圖7），研究了此裝置模擬后整管的氫分布情況，氫化物沿軸向自下而上濃度明顯增加，下部主要熱源是外加熱爐，溫度稍低，氫含量較低，中上部600 mm處氫含量最高，此處為加熱棒加熱段，溫度較高且集中，造成了氫化物的大量吸收。模擬了二次氫脆反應(yīng)過(guò)程，符合裝置設(shè)計(jì)工況及要求。

圖7 模擬后ZIRLO合金管氫化物分布金相顯微圖像 (a)距底端200 mm，(b)距底端400 mm，(c)距底端600 mmFig.7 Metallographic microscopic image of hydride distribution of ZIRLO alloy tube after simulation(a)200 mm from the bottom,(b)400 mm from the bottom,(c)600 mm from the bottom

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的鋯包殼管二次氫脆過(guò)程堆外模擬技術(shù)，得到結(jié)論如下：

1）自主設(shè)計(jì)、加工并進(jìn)行理論強(qiáng)度計(jì)算與熱工驗(yàn)證的鋯合金包殼管二次氫脆實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，可模擬壓水堆一回路工況與二次氫脆反應(yīng)過(guò)程，為靜態(tài)封閉式，無(wú)外部循環(huán)回路，降低了建設(shè)成本，也為后續(xù)探究碳化硅包殼提供了技術(shù)保障；

2）該二次氫脆實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置可為鋯合金包殼內(nèi)外壁提供溫差，雙熱源模擬解決了窄縫空間熱分層現(xiàn)象帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了在325℃水平下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并成功模擬二次氫脆過(guò)程中的一次破口失水、冷卻水閃蒸及間隙蒸汽腐蝕；

3）經(jīng)過(guò)該裝置長(zhǎng)期模擬的ZIRLO合金管內(nèi)外壁均發(fā)生明顯氧化，內(nèi)部隨溫度提高形成氫化物沿軸向自下而上濃度明顯增加，發(fā)生了明顯的鋯水反應(yīng)，驗(yàn)證了該堆外模擬裝置的可靠性。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明馬雁：醞釀和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)文章的知識(shí)性?xún)?nèi)容作批評(píng)性審閱，獲取研究經(jīng)費(fèi)，技術(shù)或材料支持；張智鑫：實(shí)施研究，采集數(shù)據(jù)，分析/解釋數(shù)據(jù)，起草文章；陳嘉威：對(duì)文章的知識(shí)性?xún)?nèi)容作批評(píng)性審閱并參與構(gòu)思。