淺論核電廠蒸汽發(fā)生器堵管處理及其發(fā)展方向

摘 要：該文簡要分析核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管的破損原因，詳細介紹蒸汽發(fā)生器的兩種堵管處理方式過程及其優(yōu)劣對比，淺議國內(nèi)蒸汽發(fā)生器役前與在役的堵管方式及發(fā)展，供蒸汽發(fā)生器堵管工具設(shè)計、制造及維修單位參考。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器 焊接式堵管 機械式堵管

中圖分類號：TL421文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0052-03

The Plugging And Plugging Development For Steam Generator In Nuclear Power Station

YINMing

（CNNC Nuclear power Operations Management Co，Ltd，Haiyan 314300）

Abstract：Analyzing the tube of steam generator which is destroyed by all kinds of reason in nuclear power station，based on introducing the process of plugging，then make sure the difference of the welding plugging and mechanical plugging，demonstrate the mode and development of the plugging for steam generator in china，by this way，we can afford the suggestion to the plugging company which is for design， manufacture and maintain.

Key words：Steam generator welding plugging mechanical plugging

蒸汽發(fā)生器（以下簡稱SG）是核電站的重大設(shè)備，它既是一回路壓力邊界的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)保持第二道屏障的完整性；它又是一、二回路熱量交換的轉(zhuǎn)換設(shè)備，將一回路熱量傳遞給二回路并產(chǎn)生飽和蒸汽驅(qū)動汽輪機工作。其中SG傳熱管總面積占一回路冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界近80%，而其壁厚僅為1 mm左右，在高溫、高壓、振動和應(yīng)力等惡劣環(huán)境下，最容易產(chǎn)生腐蝕損傷，造成傳熱管降質(zhì)。

按照核電廠事故分類，SG傳熱管破損為設(shè)計基準事故，任何運行中的電廠發(fā)生傳熱管破損將被迫停機，以防止放射性物質(zhì)由一回路向二回路泄漏，避免社會不良反響和巨大的經(jīng)濟損失。核電站蒸汽發(fā)生器的堵管設(shè)計裕量約10%，若傳熱管堵管數(shù)量過大，將降低核電站的發(fā)電效率。因此，SG傳熱管的役前檢查、在役檢查與檢查后對超出規(guī)范要求的堵管行動是世界各國核電廠的重點項目。役前檢查和在役檢查能及時發(fā)現(xiàn)有缺陷的傳熱管，并分析產(chǎn)生缺陷的原因，及時改進運行工況（如水質(zhì)調(diào)整）或采取必要的維護措施（如管板清淤、化學(xué)清洗），或?qū)Τ龌蚪咏?guī)范要求（美國ASME標準規(guī)定傳熱管缺陷不超過壁厚40%）的缺陷傳熱管采取堵管或預(yù)堵管等方式，從而避免在運行過程中發(fā)生傳熱管破裂事件而導(dǎo)致的非計劃停機和放射性物質(zhì)泄漏事故。

1 SG傳熱管破損原因分析

壓水堆核電廠運行經(jīng)驗表明，SG傳熱管降質(zhì)的主要原因不外乎腐蝕與機械損傷。其主要形式及原因如下。

1.1 一次側(cè)應(yīng)力腐蝕（PWSCC）

主要產(chǎn)生于600管材U型小彎頭內(nèi)側(cè)及脹管過渡區(qū)，其產(chǎn)生主要有三個條件，拉應(yīng)力、腐蝕環(huán)境、材料的敏感性。對于脹管過渡區(qū)，由于在制造階段其工藝無法完全消除殘余拉應(yīng)力，而該區(qū)域處于腐蝕無法避免的位置，極易產(chǎn)生軸向與周向裂紋，導(dǎo)致放射性泄露；正因為考慮到此種風(fēng)險，秦山二期核電廠在制造階段與調(diào)試期間將發(fā)現(xiàn)的4根過脹管子進行了堵管處理，以避免運行階段的每周期檢查與泄露風(fēng)險。

1.2 二次側(cè)晶間腐蝕及晶間應(yīng)力腐蝕（IGA/IGSCC）

IGA是沿管子表面整個晶粒邊界出現(xiàn)均勻或比較均勻的腐蝕，通常IGA為IGSCC早期表現(xiàn)形式；IGA與IGSCC主要產(chǎn)生于管板泥渣堆積處與支撐板縫隙處。IGA與IGSCC的區(qū)別顧名思義，即IGA不需要應(yīng)力即可產(chǎn)生，而IGSCC需要有應(yīng)力作用下產(chǎn)生。田灣核電廠在役前檢查時發(fā)生的二次側(cè)氯離子應(yīng)力腐蝕即為典型的IGA/IGSCC，最終導(dǎo)致了707根管子堵管。

1.3 耗蝕

耗蝕非應(yīng)力，由傳熱管外壁在二次側(cè)水質(zhì)中磷酸鹽局部高度濃縮環(huán)境中產(chǎn)生的化學(xué)均勻腐蝕。耗蝕主要發(fā)生于管板上方的管子根部即管板泥渣積聚區(qū)與支撐板縫隙處。

1.4 凹痕

凹痕在制造過程中出現(xiàn)于隨機位置（管子生產(chǎn)過程中、管子裝配過程中），在運行過程中主要出現(xiàn)在支撐板處；在運行中主要由于二次側(cè)腐蝕產(chǎn)物積聚于管子支撐板間隙中擠壓管壁，致使其凹陷變形，形成凹痕。

1.5 微振磨損

微振磨損主要發(fā)生于防振條與管子以及支撐板與管子的間隙處，主要由于傳熱管的振動引起防振條與支撐板的振動與滑動，最終導(dǎo)致傳熱管的局部磨損。嶺澳二期就曾因為制造階段發(fā)現(xiàn)兩根管子管距太近，為防止運行時振動磨損，預(yù)防性提前堵管，以防止運行期間的不可預(yù)期的泄露。

1.6 外來物磨損

顧名思義即為制造、安裝、調(diào)試、維護期間遺留于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的異物，由異物與傳熱管的摩擦造成的機械磨損名為外來物磨損。大亞灣核電廠在運行期間就曾由于SG最外圍排的一根傳熱管與外來異物磨損，致使傳熱管壁厚減薄達38%～39%，雖未達到40%的堵管標準，為保證在一個換料周期內(nèi)此管不發(fā)生泄漏，保守決策采取了預(yù)先堵管的處理方式。

2 國內(nèi)核電廠堵管數(shù)量及方式

自1991年底秦山一期投產(chǎn)以來，國內(nèi)核電廠已有21堆年的運行歷史了，在這20多年里國內(nèi)核電廠SG傳熱管經(jīng)受了一定長時間運行工況的考驗。表1簡單列出國內(nèi)核電廠SG傳熱管的堵管方式及原因。

3 堵管方式分析與選擇

通過上述國內(nèi)SG堵管案例，不難看出成熟應(yīng)用的堵管方式不外乎焊接式與機械式兩種，以下以秦山二期擴建機組為例，分別對焊接式與機械式堵管的原理、工藝流程做個簡介，并對比其特點與優(yōu)缺點。

焊接式堵管：焊接式是國外核電廠最早應(yīng)用的堵管方式，應(yīng)用比較廣泛且工藝成熟可靠。其原理很簡單，即利用焊接方法將堵頭材料與需要修復(fù)的本體母材溶合在一起，并達到一定的強度與密封性能。

焊接堵管工藝流程：（1）標記堵管位置；（2）準備堵管設(shè)備及工裝；（3）按照圖紙要求將待堵管孔用倒角機將坡口加工到尺寸，孔口去毛刺；（4）對坡口進行尺寸檢查；（5）用丙酮清潔加工區(qū)域；（6）按待堵管孔順序?qū)⒍骂^對應(yīng)編號；（7）按照圖紙要求將堵頭試裝并按試裝情況劃出堵頭的機加工余量線；（8）根據(jù)機加工余量線加工堵頭；（9）堵頭加工后進行尺寸檢查；（10）對堵頭表面進行PT檢查；（11）用丙酮清理管孔及附件區(qū)域；（12）在待堵管孔上依次裝配好堵頭并經(jīng)檢查確認無誤；（13）按照焊接規(guī)程要求采用手工氬弧焊對焊縫進行焊接；（14）對焊縫進行目視檢查；（15）根據(jù)焊縫表面情況進行修磨及清理；（16）對焊縫進行PT檢查；（17）用丙酮清理焊縫區(qū)域表面；（18）按照制造規(guī)程要求對返修區(qū)域和一次側(cè)表面進行清理，滿足清潔度要求；（19）蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗檢查。

機械式堵管：國內(nèi)機械式堵管分為兩種，一種為機械拉拔式（以秦山二期、田灣應(yīng)用為主），另一種機械輥脹式（以大亞灣、嶺澳、秦山一期應(yīng)用為主），其基本原理都是一致的，簡單而言就是將特制的堵頭裝入管子里，靠堵頭外壁與管子內(nèi)壁的緊密貼合擠壓來堵死管子。當然，由于兩者堵頭的設(shè)計不同，其與管壁貼合的方式也有所區(qū)別。機械拉拔式堵頭分為兩部分（詳見圖1 機械拉拔式堵頭），一部分為套筒，另一部分為滑塊；套筒內(nèi)壁設(shè)計成錐形，堵管時，將堵頭裝入蒸汽發(fā)生器傳熱管里，拉動滑塊，套筒發(fā)生徑向塑性變形，蒸汽發(fā)生器管板發(fā)生彈性變形，依靠變形差異引起的殘余應(yīng)力，使套筒外壁與傳熱管內(nèi)壁緊密貼緊從而達到密封效果。機械輥脹式堵頭為圓錐形的中空結(jié)構(gòu)（詳見圖2機械輥脹式堵頭），材質(zhì)與傳熱管材料相同的合金材料，安裝在需要堵管的傳熱管兩端起密封作用。輥脹工具頭主要由其中間的圓錐形細長芯軸和外面的若干根輥子組成，工作時芯軸一邊旋轉(zhuǎn)，一邊進給，將外圍的輥子擠壓、膨脹。堵頭有效工作部分因為受到輥子滾碾而變形、膨脹，最終緊貼于傳熱管內(nèi)壁并保持一定張力，形成固定密封。輥脹裝置主要由電機、電機減速器、工具頭連接快速接頭、手柄等組成。由控制系統(tǒng)提供的電信號驅(qū)動輥脹工具的電機，帶動輥脹工具頭作旋轉(zhuǎn)進給運動，完成輥脹動作，實施堵管操作。同時，反饋輥脹力矩到控制部分，對輥脹力矩和時間進行精確控制，保證堵管最終質(zhì)量。目前國內(nèi)使用的機械拉拔式與機械輥脹式在使用上最大的不同就是自動化程度上的區(qū)別，秦山二期、田灣使用的機械拉拔式堵管安裝完畢后均可實現(xiàn)遠程操控堵管（R廠房環(huán)廊操作甚至島外），而大亞灣、秦山一期使用的機械輥脹式需要人員進入一次側(cè)水室工作。（圖1，圖2）

下面以秦山二期使用的PEGASYS自動堵管機為例，簡要描述一下其堵管流程。

機械拉拔式堵管流程：（1）先決條件檢查，包括主管道臨時堵板、人孔密封面保護環(huán)是否安裝，蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度與輻射水平是否符合要求，水電供應(yīng)檢查，堵管標示圖檢查、設(shè)備及系統(tǒng)準備檢查；（2）設(shè)備連接，包括CAMLOCK單趾的連接，PEGASYS機械臂連接，IMPS堵管工具連接，PMC控制箱連接，PPB控制箱連接，UPCB控制箱連接，DAV系統(tǒng)的連接，堵管工作站與交換機連接，DAV工作站與交換機連接，壓縮空氣源連接，電源連接，交換機與通訊箱通過光纖連接；（3）選擇電站、機組信息，設(shè)置堵管計劃； （4）PEGASYS機械臂功能驗證；（5）IMPS堵管工具功能驗證；（6）壓力/位移校驗；（7）裝載單趾；裝載PEGASYS；（8）控制攝像頭進行管位確認，然后通過PEGASYS爬行器進行管位再驗證；（9）裝載工具頭到PEGASYS上準備至待堵管狀態(tài)（詳見圖3 PEGASYS待堵管狀態(tài)）；（10）實施堵管操作；（11）堵管實施后，確認膨脹塊行程到達標準距離范圍且泵的壓力值在可接受范圍之內(nèi)，應(yīng)用軟件將生成報告表明當前管子已經(jīng)成功堵管；（12）設(shè)備回收；（13）清理現(xiàn)場。（圖3）

堵管需注意的方面，堵頭材料需采用Inconel690或Inconloy800，不能使用Inconel600或奧氏體不銹鋼。根據(jù)美國核電廠20世紀80年代運行經(jīng)驗表明，Inconel600堵頭極易引起一次側(cè)應(yīng)力腐蝕（PWSCC），造成放射性泄露。

通過上述焊接式與機械式堵管的原理及應(yīng)用分析，不難看出兩者的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點。焊接式堵管多應(yīng)用于役前，其無放射性環(huán)境條件下，方便于近程操作，同時堵管成本較低，工藝成熟；其缺點在于在役期間堵管時間較長，人員輻射劑量大；在役期間堵后管子一般情況下不考慮重新取出利用。機械式堵管多應(yīng)用于在役期間，由于在役期間一次側(cè)放射性劑量影響，限制了堵管人員近程工作的時間，像大亞灣使用的輥脹式手動堵管由電機帶動，其堵管時間遠低于焊接式；而像秦山二期使用的機械拉拔式自動堵管由液壓驅(qū)動，甚至不需要工作人員進入水室，只需要工作人員利用操作桿在水室外將PEGASYS機械臂、工具頭、攝像頭裝入相應(yīng)位置，堵管人員利用電腦遠程操作堵管，大大降低了工作人員受輻射劑量的風(fēng)險，保障了工作人員的安全。機械堵管區(qū)別于焊接式的最大優(yōu)勢在于堵管時間短，在役期間能大大降低人員輻射劑量；另外機械堵管可根據(jù)需要取出堵頭，采取襯管或鎳基補焊的方式重新利用被堵管子，這一點在運行機組壽期末段時顯得尤為珍貴，但是其缺點在于設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴，且利用率不高。

4 結(jié)語

從國外蒸汽發(fā)生器堵管方式的發(fā)展歷程看，經(jīng)歷了焊接式-機械式手動近程操作-機械式自動遠程操作。早期由于技術(shù)原因，在役期間只能采用焊接式；隨著堵管技術(shù)的發(fā)展，以及輻射防護劑量對于人員的時間限制，機械手動近程操作取代了焊接操作，有效的降低人員受輻照時間；20世紀90年代初，隨著輻射防護ALARA原則的推動下，美國西屋研制出了第一代檢修機器人ROSA（the Remotely Operated Service Arm），通過機械人遠程操作進行堵管；隨后美國西屋在ROSA系統(tǒng)模塊上改進推出了管孔爬行機器人PEGASYS，即目前國內(nèi)秦山二期所用的堵管工具，該工具能避免工作人員進入高劑量區(qū)的一次側(cè)水室，堵管工作遠程控制，大大降低了輻射劑量，同時該工具可通過機械臂搭載渦流工具實現(xiàn)渦流檢測遠程控制，提高了設(shè)備的利用率。

綜上所述，蒸汽發(fā)生器堵管是核電站高風(fēng)險高劑量的工作，今后將逐步由手動近程操作轉(zhuǎn)為自動遠程操作。我們運行電站希望堵管工具的設(shè)計、制造單位對照國外先進技術(shù)，自主創(chuàng)新，綜合考慮堵管工具與其他蒸汽發(fā)生器專用工具（如渦流檢查及水室目視檢查）于一體，提高設(shè)備利用率，降低設(shè)備制造成本，從而有效減少核電站在役檢查和大修工期，進一步提高核電站的經(jīng)濟性。

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