蒸汽發(fā)生器二次側(cè)硬性沉積物清洗技術(shù)

劉一博，程 檀，梁云雷，賀小明，熊前山

(1.核動力運行研究所，湖北 武漢 430223;2. 中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223)

對于立式蒸汽發(fā)生器，腐蝕產(chǎn)物在被排污系統(tǒng)部分排出的同時，會在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上沉積。在局部熱工水力過程的作用下，管板上的沉積物會產(chǎn)生腐蝕性化學(xué)物濃縮，從而導(dǎo)致傳熱管管壁的腐蝕或腐蝕裂紋風(fēng)險，嚴(yán)重者造成放射性泄漏。

因此，蒸汽發(fā)生器管板上的沉積物必行定期進行清洗。目前國內(nèi)外通用的清洗手段為管板水力清洗技術(shù)。該技術(shù)利用高壓水射流，將管束內(nèi)的沉積物打碎并沖至外環(huán)廊，通過環(huán)流驅(qū)趕到抽吸系統(tǒng)的吸入口，將其吸出，以達到去除蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上沉積物的目的[1]。

由于蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點和二次側(cè)特殊的熱工水力條件，管板中心區(qū)域可能形成結(jié)塊的沉積物，稱為硬性沉積物。常規(guī)的水力清洗技術(shù)對粉狀沉積物和粒狀沉積物清洗效果明顯，但對于硬性沉積物清洗效果非常有限。因此，針對硬性沉積物需要特殊的清洗技術(shù)。

1 硬性沉積物的形成

通過對國內(nèi)各核電站蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板視頻檢查的結(jié)果分析，硬性沉積物幾乎都分布在管板的中心區(qū)域，特別是熱側(cè)的中心區(qū)域。硬性沉積物形成的主要原因如下。

1.1 結(jié)構(gòu)因素

由于蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)給水沿著內(nèi)套筒和筒壁之間的下降通道到達管板后對管板進行橫向沖刷，在管板中心區(qū)域轉(zhuǎn)而向上，通過流量分配板的中心圓孔后再向四周分流。因此，在管板的中心區(qū)域形成了滯流區(qū)，使給水?dāng)y帶的雜質(zhì)集中沉積在中心區(qū)域。

1.2 熱力學(xué)因素

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流體進口一側(cè)為熱側(cè)，出口一側(cè)為冷側(cè)，從而在管板中心區(qū)域產(chǎn)生了較大的溫度差。由于金屬離子的溶解度隨溫度的升高而增大，因此在溶解度差的驅(qū)使下，金屬離子從冷側(cè)向熱側(cè)移動，在達到飽和后逐步沉淀形成沉積物。同時在更高的溫度條件下，熱側(cè)的沉積物更易于結(jié)塊硬化。

2 柔性沖洗技術(shù)

不同于常規(guī)水力沖洗時，噴嘴位于中心管廊區(qū)域進行管間沖洗的技術(shù)，柔性清洗槍的噴嘴可通過柔性載體深入管束，使噴嘴更接近指定清洗區(qū)域。同時其沖洗壓力也高于常規(guī)的水力沖洗，柔性沖洗水的壓力一般不低于30 MPa。

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)概述

柔性沖洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)參見圖1。

圖1 柔性沖洗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備主要包括以下四個功能模塊：

1)推拔驅(qū)動組件；

2)槍體組件；

3)旋轉(zhuǎn)/步進驅(qū)動組件；

4)柔性鋼帶。

其中柔性鋼帶可深入管間，對指定區(qū)域的硬性沉積物進行定點清除。通過推拔驅(qū)動組件控制進入管間的鋼帶長度，通過槍體的步進和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件控制柔性鋼帶進入不同的管間區(qū)域[2]。

2.2 推拔驅(qū)動組件

推拔驅(qū)動組件上面布置兩個驅(qū)動機構(gòu)，一個用來驅(qū)動鋼帶的進退(推拔)，另一個驅(qū)動鋼帶導(dǎo)向輪，控制鋼帶的張開角度，便于鋼帶的初始安裝和進入管間。

2.3 槍體組件

槍體組件與鋼帶推拔驅(qū)動組件連接，側(cè)面的齒條與步進組件嚙合傳動。槍體連接時可以打開側(cè)面的鋼帶蓋板和電纜蓋板，蓋板同槍體形成的兩個空腔作為鋼帶和電纜的通道。

2.4 旋轉(zhuǎn)/步進驅(qū)動組件

槍體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的主要功能是驅(qū)動槍體在中心管廊旋轉(zhuǎn)，從而使鋼帶在管間擺動。槍體步進驅(qū)動組件的主要功能是驅(qū)動槍體在中心管廊方向的進退，從而更換沖洗的管間。

2.5 柔性鋼帶

柔性鋼帶是高壓毛細軟管和噴嘴的載體。鋼帶的外形與電影膠片類似，但是中間部分凸出，這種結(jié)構(gòu)使鋼帶既具有一定的柔性，可以彎曲，又具有一定的彈性。

3 柔性沖洗應(yīng)用

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上的沉積物會隨著運行時間的增加而逐漸硬化，一般在第5個大修周期前后需開始實施柔性沖洗操作。由于柔性沖洗僅能清除大部分硬性沉積物，無法徹底根除硬性沉積物產(chǎn)生的環(huán)境，因此在此后的歷次大修中均需進行二次側(cè)管板柔性沖洗工作。

柔性沖洗為針對硬性沉積物的近距離定點清洗，其清洗效率相比剛性沖洗較低。因此，在柔性清洗操作實施前，應(yīng)參照前次清潔度檢查結(jié)果，針對硬性沉積物存在的區(qū)域確定柔性清洗的范圍。

在沖洗工藝方面，柔性沖洗一般在兩次常規(guī)水力沖洗之間實施。前一次常規(guī)水力沖洗可以清除大部分粉狀和粒狀沉積物，同時軟化硬性沉積物，為柔性沖洗創(chuàng)造條件。后一次常規(guī)水力沖洗可將柔性沖洗中打碎的硬性沉積物沖掃出管間區(qū)域，通過抽吸模塊將其吸出。通過柔性沖洗前后對硬性沉積物區(qū)域視頻檢查結(jié)果的對比，沖洗前發(fā)現(xiàn)的硬性沉積物在柔性沖洗后均得到了較好的清除。

4 化學(xué)清洗技術(shù)

化學(xué)清洗可對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)全管束實施清洗，也可針對管板上的硬性沉積物實施區(qū)域清洗，該技術(shù)可以較為徹底地清除管板上的硬性沉積物?；瘜W(xué)清洗一般采用一定濃度的乙二胺四乙酸(EDTA)的鈉鹽或銨鹽溶液作為清洗劑，利用EDTA的絡(luò)合作用溶解鐵基和銅基泥渣。清洗溶液中一般還需要加入緩蝕劑(如CCI801)來抵制清洗劑對傳熱管等材質(zhì)的腐蝕，并加入NH4OH或N2H4調(diào)節(jié)pH值?；瘜W(xué)清洗的溫度一般在90～150 ℃[3]。

典型的化學(xué)清洗系統(tǒng)回路圖如圖2所示。

圖2 化學(xué)清洗系統(tǒng)回路圖

化學(xué)清洗系統(tǒng)一般包括三部分：

水循環(huán)系統(tǒng)：主要包括存儲水箱、過濾模塊、隔膜泵、廢液箱及連接管線等，用于對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位進行控制，對循環(huán)水中的泥渣進行過濾和收集。

化學(xué)處理系統(tǒng)：一般在儲水水箱中進行清洗溶劑的配制，也可在儲水水箱前單獨設(shè)置一個溶劑配制水箱，該系統(tǒng)還包括廢液箱中廢液的處理系統(tǒng)。

鼓泡系統(tǒng)：主要包括氮氣容器、釋放閥、鼓泡噴嘴和控制系統(tǒng)等，用于實現(xiàn)鼓泡功能，可以按照設(shè)定的頻率和強度向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)釋放氮氣氣泡。該系統(tǒng)可以提高清洗效果，特別是對狹縫區(qū)域的沉積物清洗效果顯著[4]。根據(jù)不同的清洗工藝，該系統(tǒng)也可省略。

5 化學(xué)清洗應(yīng)用

目前國內(nèi)的蒸汽發(fā)生器均未實施過化學(xué)清洗操作。在國外，化學(xué)清洗已是蒸汽發(fā)生器泥渣清洗的主流技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。其施工步驟一般如下：

1)進行清洗前管板視頻檢查，評估其清潔度狀況；

2)使用化學(xué)溶劑對蒸汽發(fā)生器進行清洗；

3)對蒸汽發(fā)生器進行鈍化處理；

4)漂洗蒸汽發(fā)生器；

5)廢液處理及排放；

6)進行清洗后管板視頻檢查，評估清洗效果。

化學(xué)清洗工藝主要有二個核心點，即化學(xué)清洗過程對傳熱管等材質(zhì)的腐蝕風(fēng)險評估和廢液的處理。腐蝕風(fēng)險評估主要通過在化學(xué)清洗過程中在蒸汽發(fā)生器不同位置放置多組樣片，樣片采用與所需評估組件完全相同的材質(zhì)，在化學(xué)清洗完成后取出樣片，通過測算樣片的腐蝕情況來評估化學(xué)清洗對蒸汽發(fā)生器的潛在腐蝕風(fēng)險[5]。國外部分公司也在化學(xué)清洗中放置特制傳感器，以實現(xiàn)實時檢測腐蝕量的目的。此外，化學(xué)清洗涉及的廢液量很大，廢液的再處理較為困難[6]，國外公司一般采用反滲透工藝和超臨界水氧化法將廢液最終固化為固體廢物再進行處理[7]。

6 結(jié) 論

目前，國內(nèi)各核電機組(除田灣核電機組采用臥式蒸汽發(fā)生器之外)均將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板水力沖洗作為歷次大修的必做項目。蒸汽發(fā)生器管板上的粉狀及粒狀沉積物均得到了很好的控制。但隨著各機組服役年限的增加，硬性沉積物的危害愈發(fā)明顯。柔性沖洗技術(shù)較為成熟可靠，是目前多數(shù)電廠采用的清洗技術(shù)，但該技術(shù)無法完全清除硬性沉積物?；瘜W(xué)清洗可以有效地清除管板上的硬性沉積物，但其缺點也非常明顯，化學(xué)清洗可能對傳熱管造成潛在的腐蝕風(fēng)險使各電廠對該技術(shù)都非常謹慎，同時大量的廢液處理也給現(xiàn)場實施提出了很大的挑戰(zhàn)。