銹蝕樣件在動態(tài)鈉回路中的實驗研究

劉澤軍，孫樹海

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

1 前言

蒸汽發(fā)生器是中國實驗快堆(CEFR)的主要設(shè)備之一，用于從二回路導(dǎo)出熱量并輸出過熱蒸汽，每臺蒸汽發(fā)生器由蒸發(fā)器模塊和過熱器模塊組成，材料是10×2М鋼，基本結(jié)構(gòu)是管－殼式，由俄羅斯設(shè)計制造。該設(shè)備在快堆現(xiàn)場存放了約2年后，安裝前在鈉側(cè)發(fā)現(xiàn)了比較嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象。為了保證二回路的運(yùn)行安全，初步方案在蒸汽發(fā)生器進(jìn)水前對其鈉側(cè)進(jìn)行在線動態(tài)鈉清洗。在動態(tài)清洗前，先進(jìn)行了樣件的靜態(tài)液態(tài)鈉浸泡試驗，在250℃和360℃兩種溫度下分別浸泡520 h和65 h后，銹蝕基本被清洗干凈，并化驗出銹蝕的主要成分就是鐵的氧化物。為進(jìn)一步研究蒸汽發(fā)生器銹蝕表面在動態(tài)鈉中的行為，同時也為現(xiàn)場的動態(tài)清洗提供依據(jù)，決定在實驗回路上進(jìn)行銹蝕樣件動態(tài)鈉清洗實驗。通過定性觀察銹蝕樣件的清洗效果，以便確定CEFR蒸汽發(fā)生器上銹蝕部分的具體清洗方法、最佳沖洗流程和沖洗時間，制定合適的中國實驗快堆蒸汽發(fā)生器銹蝕在線清洗方案。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 樣件的選取

所用樣件從CEFR 508/2過熱器生銹鈉管的大、小封頭上切取，其尺寸為90 mm×40 mm×6 mm。樣件成分與過熱器相同，通過從過熱器內(nèi)表面觀察，銹蝕情況與現(xiàn)場實際過熱器銹蝕程度基本一致，此次實驗共準(zhǔn)備此類樣件30塊，并進(jìn)行了編號。其中一個樣件的原始照片見圖1。

圖1 樣件原始照片F(xiàn)ig.1 The photo of a sample

2.2 實驗回路介紹

實驗的鈉回路是由“電磁泵特性實驗鈉回路”改建而成的。該回路的主要參數(shù)如下:運(yùn)行最高溫度420℃，最大流量15 m3/h，電磁泵在410℃壓頭為0.11 MPa;主加熱器功率:6 kW/220 V AC;輔助加熱器功率:2.4 kW/220 V AC。

實驗回路流程圖見圖2(虛線部分為加裝的實驗段的相關(guān)管道和閥門)。

圖2 實驗回路流程圖Fig.2 The flow chart of test loop

其中實驗段為自己設(shè)計并委托加工而成，一次可以安放6個樣件。

借助于對電磁泵PEM電壓控制和鈉閥V1、V2，可以調(diào)節(jié)流經(jīng)實驗段的鈉流量。

3 流速設(shè)計計算

實驗因為需要盡量模擬現(xiàn)場實際清洗的工況，主要是實驗工況與一定運(yùn)行清洗工況下蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)的表面流速一致，因此需要計算實驗回路所應(yīng)達(dá)到的流速。

3.1 實際流通截面面積

根據(jù)蒸汽發(fā)生器的設(shè)計參數(shù)計算流通截面面積(A)

式(1)中，D為換熱管管道外徑;d為換熱管管道內(nèi)徑。

3.2 流速計算

分別計算兩種工況下蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)表面的流速。

3.2.1 二回路鈉泵運(yùn)行

在二回路鈉泵額定轉(zhuǎn)速下的鈉流速

在二回路鈉泵150轉(zhuǎn)情況下的鈉流速式(2)、式(3)中，G為額定工況下鈉流量;G150為二回路鈉泵150轉(zhuǎn)下鈉流量。

3.2.2 二回路鈉泵不運(yùn)行

二回路鈉泵不運(yùn)行，只在二回路電磁泵運(yùn)行情況下，計算4 m3/h和10 m3/h的流量下流速分別為0.005 m/s和0.012 m/s。

二回路電磁泵在4 m3/h下對應(yīng)的蒸汽發(fā)生器表面的流速很低，相當(dāng)于靜態(tài)浸泡，同時實驗回路的電磁泵實現(xiàn)該工況較為困難，因此不考慮這種流量下的清洗方案。同時出于保護(hù)主泵的角度，也不考慮二回路鈉泵額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的清洗方案，因此本次實驗，初步確定了0.012 m/s和0.103 m/s兩種工況。

3.3 實驗段設(shè)計直徑下流量的計算

由于實驗回路有兩個支路，電磁泵的流量又是可以調(diào)節(jié)的，因此不難滿足實驗條件，采用內(nèi)徑d1=40 mm的實驗段管道，在上面提到的兩種流速下對應(yīng)的流量分別如下。

根據(jù)實驗回路特性，實驗段Q1流量下對應(yīng)電磁泵流量10.75 m3/h。

4 實驗步驟

實驗只是定性了解銹蝕樣件在動態(tài)鈉流中的行為，沒有借助精密的儀器進(jìn)行材料分析。實驗的主要方法是外觀比對，初步制定的實驗步驟如下。

1)加工一批樣件，并逐一進(jìn)行編號，拍照。

2)加工實驗段，并將 6個樣件(90 mm ×40 mm)放在實驗段中，然后將實驗段安裝在小實驗回路中。

3)首先進(jìn)行200℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗實驗，分別在不同時間段取出兩個樣件(空出的位置放入新的樣件)進(jìn)行觀察，如樣件被清洗干凈則不進(jìn)行下個時間段的清洗。如果表面沒有清洗干凈，回路繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)行沖洗，直到取出的樣件被清洗干凈。

4)進(jìn)行200℃下0.012 m/s流速下樣件的清洗實驗，重復(fù)以上步驟。

5)進(jìn)行250℃下0.012 m/s流速下樣件的清洗實驗，重復(fù)以上步驟。

6)進(jìn)行250℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗實驗，重復(fù)以上步驟。

7)進(jìn)行320℃下相關(guān)流速下樣件的清洗實驗，重復(fù)以上步驟。

8)進(jìn)行360℃下相關(guān)流速下樣件的清洗實驗，重復(fù)以上步驟。

9)整理實驗數(shù)據(jù)，編制實驗報告。

5 實驗實際過程及結(jié)果

5.1 200℃下0.103 m/s流速下沖洗實驗

第一階段在200℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗，初始放入6個樣件，2 d后取出第一批2個樣件，并重新放入新的樣件，以后又分別在2 d、7 d、14 d后取出一定的樣件，得到不同沖洗時間的樣品。

當(dāng)把取出的實驗樣件放入無水乙醇中除鈉時，乙醇成為灰黑色渾濁液，底部有黑色粉末沉積物，這可能是樣品表面生成的鐵溶到了乙醇中。沖洗后的樣件在無水乙醇中晃動，表面黑色粉末洗掉很多，說明實驗的鈉回路流速較低時，不能很好的達(dá)到?jīng)_洗效果。

實驗結(jié)果顯示，在200℃下0.103 m/s流速下，樣件很短時間內(nèi)(46 h內(nèi))表面成為棕黑色，這表明銹管樣品表面已和鈉發(fā)生作用生成了黑色的鐵，但由于時間很短，還原反應(yīng)尚未充分，鐵銹依然存在，檫拭后表面仍然有黑色鐵銹存在。長時間(200～300 h)沖洗后，樣件表面仍然為黑色粉末狀，檫拭后樣件表面露出金屬光澤，表明樣件表面鐵銹基本被鈉置換掉，但是由于鈉的流速較低，表面鐵粉末不能沖洗掉。

鑒于以上分析，在低流速下的樣件表面的鐵屑存在滯留，影響進(jìn)一步的清洗，比0.103 m/s更低流速下的清洗實驗沒必要再做，即原定的實驗步驟4)和5)取消。

5.2 250℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗

第二階段在250℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗，分別得到兩個沖洗時間的樣件。

實驗結(jié)果顯示:250℃下0.103 m/s流速下沖洗效果與200℃下0.103 m/s流速下沖洗效果相差不大。沖洗后，表面為棕黑色，粉末狀，經(jīng)檫拭，樣件表面露出金屬光澤。

5.3 320℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗

第三階段在320℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗，分別得到12 h、30 h、42 h三種沖洗時間的樣件。圖3為清洗30 h后樣件的照片。

圖3 320℃、0.103 m/s下清洗30 h后樣件照片F(xiàn)ig.3 The photo of the sample having been cleaned for 30 hours on 320 ℃、0.103 m/s

實驗結(jié)果顯示，320℃下0.103 m/s流速下，12 h后樣件表面已經(jīng)除去一部分鐵銹。30 h后，樣件表面已經(jīng)有金屬光澤，表面只有很少黑色粉末狀物質(zhì)，說明在此工況下，較短時間后樣件表面鐵銹已經(jīng)清洗掉很大部分，僅有少量部分殘留，擦拭前后樣件表面相差不大。

實驗結(jié)果顯示，在320℃時，樣件表面鐵銹在短時間內(nèi)可以被沖洗掉。

5.4 360℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗

最后還完成了360℃下0.103 m/s流速下樣件的清洗，通過與320℃下的實驗結(jié)果比較，沒有發(fā)現(xiàn)明顯改善。

6 結(jié)語

根據(jù)在本實驗條件下的實驗結(jié)果，可得出以下幾點結(jié)論。

1)200℃時樣件表面鐵銹已經(jīng)可以被高溫清潔鈉置換出鐵，但是速度很慢，大概400 h能被全部置換;溫度在320℃以上時，置換速度很快，30 h后僅有少量殘余。

2)在320℃時銹蝕的去除效果有一個明顯的提升，再繼續(xù)提高溫度，在360℃下改善則非常有限。

3)相對于溫度來說，速度的影響不大，但是需要一定的最小速度，便于反應(yīng)后金屬顆粒離開金屬表面，對清洗有利。

4)樣件表面的銹去除后，表面比較粗糙。