淺析核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管降質(zhì)及堵管技術(shù)

羅飛華

【摘 要】本文分析了蒸汽發(fā)生器傳熱管降質(zhì)的原因，傳熱管降質(zhì)的機(jī)理，以及易出現(xiàn)降質(zhì)的部位，提出預(yù)防手段；簡(jiǎn)要介紹規(guī)范要求的及非規(guī)范要求的蒸汽發(fā)生器在役檢查主要內(nèi)容，以及破損傳熱管的三種堵管方式；以遠(yuǎn)程機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)為例簡(jiǎn)單闡述國(guó)內(nèi)堵管技術(shù)的現(xiàn)狀。結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的蒸汽發(fā)生器堵管技術(shù)對(duì)堵管技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器；傳熱管降質(zhì)；在役檢查；堵管技術(shù)

中圖分類號(hào)： TL353.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0090-002

The Tube Degradation and Plugging Technology for Steam Generator in Nuclear Power Plant

LUO Fei-hua

（Nuclear Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.， Haiyan， Zhejiang 314300，China）

【Abstract】The causes of Steam Generator tube degradation，main methods of in-service inspection and methods of dealing with worn tubes are presented in this thesis.Based on remote mechanical-drawing plugging，briefly introduce the main content of in-service inspection and three typical plugging means.Combining with the latest SG plugging technology at home and abroad，discuss the development direction of plugging technology.

【Key words】Steam Generator；Tube Degradation；Inspection；Plugging Technology

0 前言

蒸汽發(fā)生器（SG）是壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，是一回路與二回路進(jìn)行熱能交換的媒介，也是一回路壓力邊界，包容一回路強(qiáng)放射性物質(zhì)。傳熱管若出現(xiàn)破損，一方面一回路放射性物質(zhì)會(huì)進(jìn)入二回路系統(tǒng)，進(jìn)而釋放到環(huán)境中；另一方面，放射性釋放會(huì)引起停機(jī)停堆，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。蒸汽發(fā)生器傳熱管的壁厚約1mm，傳熱管總面積卻占一回路壓力邊界的70%以上，在核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管是作為最敏感脆弱的一環(huán)進(jìn)行精心呵護(hù)的。精心呵護(hù)包括但不限于一/二回路水化學(xué)嚴(yán)格控制，蒸汽發(fā)生器傳熱管役前及在役檢查，機(jī)組運(yùn)行中的運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)及傳熱管泄漏率的連續(xù)監(jiān)測(cè)等。

1 SG傳熱管降質(zhì)原因及預(yù)防手段

國(guó)外內(nèi)核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：腐蝕和機(jī)械損傷是造成SG傳熱管降質(zhì)的主要因素。腐蝕又分為一次側(cè)應(yīng)力腐蝕（PWSCC）、二次側(cè)晶間腐蝕（IGA）及晶間應(yīng)力腐蝕（IGSCC）、耗蝕；機(jī)械損傷則分為凹痕、微動(dòng)磨損、及外來(lái)物磨損。具體情況如表1：

2 蒸汽發(fā)生器在役檢查

從表1SG傳熱管降質(zhì)原因可以看出，在役檢查是預(yù)防傳熱管降質(zhì)的重要手段。SG在役檢查包含規(guī)范要求的在役檢查（ISI）和非規(guī)范要求的在役檢查方法兩類，其中規(guī)范要求是指根據(jù)RSEM90版《壓水堆核電廠核島機(jī)械部件在役檢查規(guī)則》和國(guó)家核安全局頒布的核安全法規(guī)HAF0302《核電廠在役檢查導(dǎo)則》的要求，應(yīng)定期對(duì)SG傳熱管實(shí)施渦流檢查（ET）在役檢查，屬于規(guī)則、導(dǎo)則強(qiáng)制要求的，各核電廠必須執(zhí)行并將檢查結(jié)果提交給核安全局審查的檢查項(xiàng)目；非規(guī)范要求的在役檢查方法則不是法規(guī)強(qiáng)制要求，而是根據(jù)國(guó)內(nèi)外同類電廠及自身電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)做出的檢查項(xiàng)目，它也是非常必要的。

規(guī)范要求的在役檢查又分為役前檢查（PSI）和在役檢查（ISI），役前檢查（PSI）是對(duì)蒸汽發(fā)生器所有傳熱管進(jìn)行一次全面檢查，檢查和處理初始缺陷，并為在役檢查（ISI）提供數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。在役檢查則是根據(jù)電廠在役檢查大綱及在役檢查計(jì)劃，有序的對(duì)SG傳熱管進(jìn)行抽樣檢查，用以跟蹤壽期內(nèi)傳熱管降質(zhì)情況并及時(shí)作出響應(yīng)。通常情況下，SG傳熱管在役檢查計(jì)劃會(huì)在首次換料大修的時(shí)候?qū)G外圍兩層傳熱管進(jìn)行渦流檢查，并進(jìn)行一定比例的抽樣檢查；以后每次大修再抽取相同比例的傳熱管進(jìn)行渦流檢查。根據(jù)渦流檢查的結(jié)果對(duì)SG傳熱管的降質(zhì)情況做綜合判斷，對(duì)達(dá)到堵管要求的傳熱管實(shí)施堵管，以防止降質(zhì)擴(kuò)大引起傳熱管破損。

非規(guī)范要求的在役檢查主要有三方面內(nèi)容：SG二次側(cè)管板清潔度檢查（ITV）、SG二次側(cè)沖洗和SG二次側(cè)外來(lái)異物取出。非規(guī)范要求的在役檢查內(nèi)容是規(guī)范要求的在役檢查的重要補(bǔ)充，對(duì)腐蝕環(huán)境的破壞以及避免異物對(duì)傳熱管的損傷有著十分重要的意義。

與大多數(shù)U形管換熱器一樣，SG也有一定程度的換熱裕度，即實(shí)際傳熱管數(shù)量有所富裕，通常富裕傳熱管數(shù)量不超過(guò)總傳熱管數(shù)量的20%，若傳熱管堵管數(shù)量超過(guò)此裕度則核電廠不得不選擇降功率運(yùn)行或者更換蒸汽發(fā)生器。

3 國(guó)內(nèi)外堵管技術(shù)

根據(jù)蒸汽發(fā)生器在役檢查結(jié)果，若傳熱管出現(xiàn)明顯降質(zhì)，則需對(duì)其進(jìn)行堵管。國(guó)內(nèi)外通用的堵管依據(jù)參考ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范（第XI卷）IWB-3521條的蒸汽發(fā)生器傳熱管驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[3]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許的缺陷深度超過(guò)傳熱管壁厚的40%就需要堵管。

文獻(xiàn)[4]研究表明，僅考慮缺陷深度的影響而忽略缺陷沿傳熱管軸向長(zhǎng)度的影響是不全面的，也是保守的。并以傳熱管缺陷的傷深比α和當(dāng)量長(zhǎng)度比γ為參量，利用爆破壓力擬合計(jì)算公式和強(qiáng)度條件，提出了傳熱管在役檢查的驗(yàn)收依據(jù)和堵管條件，在實(shí)際操作過(guò)程中可作為參考。endprint

國(guó)內(nèi)外核電廠較為成熟的堵管方式有焊接式和機(jī)械式兩種，焊接式是采用焊接的方法將要修復(fù)的傳熱管與堵頭材料熔合在一起，從而達(dá)到足夠的密封性能和機(jī)械強(qiáng)度。焊接式堵管的方式多用于設(shè)備制造期間和調(diào)試期間，無(wú)放射性，可近距離操作，其工藝成熟，堵管質(zhì)量取決于焊接技術(shù)水平。

機(jī)械式又分為機(jī)械輥脹式和機(jī)械拉拔式兩種。兩種機(jī)械式堵管方式在國(guó)內(nèi)外均有廣泛的應(yīng)用，且均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程堵管操作。遠(yuǎn)程堵管操作可大大減少堵管人員受照劑量，符合輻射防護(hù)最優(yōu)化（ALARA）原則。

機(jī)械輥脹式與傳熱管脹管原理相同，即利用輥脹工具將圖1輥脹式堵頭脹接到要修復(fù)的傳熱管，堵頭發(fā)生塑性變形，傳熱管及管板發(fā)生彈性變形，輥脹后的殘余應(yīng)力及管板對(duì)傳熱管和堵頭的接觸壓力可保證堵頭保持在傳熱管內(nèi)壁，并可承受二次側(cè)水壓試驗(yàn)壓力[5]。

機(jī)械拉拔式所用堵頭與輥脹式不同，從圖 2 拉拔式堵頭可以看出，堵頭由外筒套和中間的可滑動(dòng)膨脹塊組成。堵管過(guò)程中，堵管工具與膨脹塊連接，通過(guò)拉動(dòng)膨脹塊使外筒套發(fā)生塑性變形，傳熱管與管板發(fā)生彈性變形，同樣能達(dá)到可靠密封的目的。拉拔式堵頭原始及最終狀態(tài)如圖 3 拉拔式堵管所示。

國(guó)內(nèi)機(jī)械式堵管的兩種方式，其堵管設(shè)備及堵頭均為進(jìn)口產(chǎn)品，主要供應(yīng)商是美國(guó)西屋公司。目前機(jī)械輥脹式堵管的堵頭國(guó)內(nèi)已有較為成熟的產(chǎn)品，并取得國(guó)家專利；拉拔式堵頭尚無(wú)成熟產(chǎn)品。

統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)核電廠堵管數(shù)據(jù)可知，中核核電運(yùn)行管理有限公司秦二廠、方家山，海南昌江核電，田灣核電，福清核電及寧德核電在役期間均采用機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)；而大亞灣核電，嶺澳核電及中核核電運(yùn)行管理有限公司秦一廠在役期間采用機(jī)械輥脹式堵管技術(shù)。上述核電廠傳熱管材質(zhì)大致有兩類：不銹鋼，Inconel合金。某核電廠傳熱管材質(zhì)為08Cr18Ni10Ti不銹鋼，堵管率相對(duì)較高，已堵管數(shù)量達(dá)到數(shù)百根；采用Inconel690材質(zhì)傳熱管的核電廠堵管數(shù)量普遍較低，在個(gè)位數(shù)水平。

4 典型機(jī)械堵管技術(shù)

以遠(yuǎn)程機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)為例簡(jiǎn)單闡述國(guó)內(nèi)堵管技術(shù)的現(xiàn)狀。

遠(yuǎn)程機(jī)械拉拔式堵管技術(shù)在國(guó)內(nèi)核電廠有著廣泛的應(yīng)用，其堵管設(shè)備的核心由三部分組成：管板爬行機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)械拉拔堵管系統(tǒng)，數(shù)字監(jiān)視和語(yǔ)音系統(tǒng)。

管板爬行機(jī)器人系統(tǒng)是一套通過(guò)電腦遠(yuǎn)程控制的輕便機(jī)器人系統(tǒng)，包含管板爬行機(jī)器人、工作站、控制器、安裝工具等，其核心是管板爬行機(jī)器人。管板爬行機(jī)器人通過(guò)氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，可自由的在蒸汽發(fā)生器管板上爬行與定位，當(dāng)管板爬行機(jī)器人攜帶堵管工具的時(shí)候即可實(shí)施遠(yuǎn)程堵管。

機(jī)械拉拔式堵管系統(tǒng)是一套由液壓遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的設(shè)備構(gòu)成，其可搭載于管板爬行機(jī)器人上實(shí)施堵管操作。

數(shù)字監(jiān)視和語(yǔ)音系統(tǒng)是一套視頻監(jiān)視系統(tǒng)和語(yǔ)音系統(tǒng)，用于設(shè)備安裝和操作過(guò)程中的監(jiān)視和語(yǔ)音交流。

基本的傳熱管堵管流程為：先決條件檢查確認(rèn)→堵頭質(zhì)量檢查及堵管系統(tǒng)功能驗(yàn)證→系統(tǒng)安裝固定→待堵傳熱管確認(rèn)與定位→單趾安裝（安裝工具）→管板爬行機(jī)器人安裝→堵管工具固定到管板爬行機(jī)器人上→遠(yuǎn)程操管板爬行機(jī)器人定位到待堵傳熱管→實(shí)施遠(yuǎn)程機(jī)械拉拔堵管→堵管完成與工具拆除→出具堵管報(bào)告。

整個(gè)堵管過(guò)程中操作人員無(wú)需進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器內(nèi)部，堵管相關(guān)工具的安裝與拆除均采用長(zhǎng)撐桿工具實(shí)現(xiàn)；堵管操作與監(jiān)視通過(guò)遠(yuǎn)程操作即可完成。相較于焊接式堵管，遠(yuǎn)程機(jī)械式堵管技術(shù)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，適用于在役期間蒸汽發(fā)生器傳熱管堵管操作。

5 結(jié)語(yǔ)

蒸汽發(fā)生器是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，傳熱管的降質(zhì)直接關(guān)系著蒸汽發(fā)生器的壽命與核電廠的經(jīng)濟(jì)效益。在蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)制造階段已充分考慮傳熱管降質(zhì)機(jī)理，通過(guò)材料選擇及脹管工藝改進(jìn)可極大程度上避免蒸汽發(fā)生器傳熱管降質(zhì)；在役期間通過(guò)在役檢查及一回路/二回路水化學(xué)的嚴(yán)格控制可進(jìn)一步降低蒸汽發(fā)生器傳熱管降質(zhì)的發(fā)生幾率。但通過(guò)國(guó)內(nèi)外運(yùn)行核電廠的經(jīng)驗(yàn)可知，以上手段仍然無(wú)法完全避免傳熱管降質(zhì)的出現(xiàn)。傳熱管降質(zhì)達(dá)到堵管標(biāo)準(zhǔn)后需實(shí)施堵管操作，當(dāng)堵管數(shù)量超過(guò)傳熱管裕度后則必須降功率運(yùn)行或者更換蒸汽發(fā)生器。

蒸汽發(fā)生器堵管技術(shù)經(jīng)歷了焊接式堵管—機(jī)械手動(dòng)近距離堵管—機(jī)械自動(dòng)遠(yuǎn)距離堵管的演變，堵管方式的革新將操作人員與高劑量環(huán)境在時(shí)間和空間上阻隔，使操作人員輻照時(shí)間得到了減少，輻照劑量大大降低，符合輻射防護(hù)最優(yōu)化（ALARA）原則?，F(xiàn)用的機(jī)械堵管設(shè)備較為龐雜，隨著堵管技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化、輕量化、更加自動(dòng)化是堵管設(shè)備的發(fā)展方向。

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