核電站蒸汽發(fā)生器二次側(cè)清洗技術(shù)

熊前山1，劉一博1，賀小明1，陶子航1，賀鈺林

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北 武漢 430223;2.福建福清核電有限公司，福建 福州 350318)

目前，國內(nèi)集中于研究蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板的水力沖洗，并通過對(duì)沖洗后管板疏水烘干進(jìn)行視頻檢查來評(píng)估運(yùn)行過程中蒸汽發(fā)生器的清潔度狀況。事實(shí)上，對(duì)傳熱管進(jìn)行渦流檢查獲得的泥渣分布數(shù)據(jù)表明，管板上的泥渣量占蒸汽發(fā)生器二次側(cè)泥渣總量的值不足5%[1]。相比之下，國外電力公司研究并實(shí)施驗(yàn)證推出化學(xué)清洗、鼓泡清洗與機(jī)械清洗的多種組合工藝，為推進(jìn)國內(nèi)核電站蒸汽發(fā)生器二次側(cè)清洗提供了理論依據(jù)和實(shí)踐驗(yàn)證。

我國第一批核電站現(xiàn)階段面臨延壽或者退役，如果選擇延壽，那么保持核電站蒸汽發(fā)生器清潔度優(yōu)異對(duì)提高核電站發(fā)電效率起著重要作用。為此，田灣核電站在《蒸汽發(fā)生器運(yùn)行手冊(cè)》中說明，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器清洗的周期采用每4年1次，并由俄羅斯設(shè)計(jì)院推薦了化學(xué)清洗的工藝配方[2]。此外，國內(nèi)某些核電站也出現(xiàn)SG污垢系數(shù)增大影響核反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行的情況。由此，對(duì)國內(nèi)外核電站蒸汽發(fā)生器清洗工藝對(duì)比并進(jìn)行定性分析具有重要意義。根據(jù)國內(nèi)某核電站大修中對(duì)傳熱管全管渦流檢查結(jié)果分析，各區(qū)域泥渣分布見圖1、表1。

圖1 傳熱管渦流檢查圖像Fig.1 Eddy current inspection imageof the heat transfer tube

表1 各區(qū)域泥渣分布比例Table 1 Proportion of mud and slagdistribution in each region

1 機(jī)械清洗

隨著核電維修技術(shù)的發(fā)展，蒸汽發(fā)生器機(jī)械清洗已成為每次大修期間的主要項(xiàng)目之一。大修中一次合格的機(jī)械清洗為蒸汽發(fā)生器的正常運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

國內(nèi)的機(jī)械清洗方式主要有兩種，分別是剛性沖洗和柔性沖洗。剛性沖洗根據(jù)電站的類型又可分為懸臂式、導(dǎo)軌式和爬行式3種剛性沖洗。剛性沖洗主要針對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板和流量分配板進(jìn)行松散泥渣的去除。柔性沖洗則通過軟鋼帶伸入到傳熱管的管間進(jìn)行定點(diǎn)沖洗，目的是去除沉積在管板上的次硬性泥渣和減緩硬性泥渣的增長(zhǎng)。機(jī)械清洗技術(shù)成熟，成本低廉，但對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)沖洗區(qū)域有限，并且在涉及的沖洗范圍內(nèi)也會(huì)殘留沖洗死角，提高了管材腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

2 鼓泡清洗

鼓泡清洗是向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水中釋放高壓氮?dú)?，?dāng)?shù)獨(dú)庠谒醒杆倥蛎洉r(shí)，會(huì)引起二次側(cè)水的劇烈運(yùn)動(dòng)。水的運(yùn)動(dòng)、氮?dú)馀蛎洰a(chǎn)生的壓力波及隨后的水力震蕩，可以使蒸汽發(fā)生器傳熱管外表面、支撐板縫隙以及二次側(cè)管板上的泥渣發(fā)生松動(dòng)、脫落。這些脫落的泥渣大部分會(huì)隨蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)排出，并沉淀在過濾系統(tǒng)中[3]。

鼓泡清洗系統(tǒng)由三部分組成：鼓泡裝置、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。通過在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水中釋放高壓氮?dú)夂螽a(chǎn)生水流運(yùn)動(dòng)、傳熱管與支撐板相對(duì)運(yùn)動(dòng)及兩相流的擾動(dòng)完成清洗工作。流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和氮?dú)馀蛎浐髿馀萜屏旬a(chǎn)生壓力波都會(huì)對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生載荷沖擊，但美國西屋公司此前曾進(jìn)行了強(qiáng)度分析、疲勞分析和對(duì)降質(zhì)管的分析，給出了鼓泡清洗對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)件的載荷沖擊引起的應(yīng)力在許可范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)壓力邊界的完整性造成傷害。

在國內(nèi)某機(jī)組檢修期間，核動(dòng)力運(yùn)行研究所參與實(shí)施了兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的鼓泡清洗工作。通過清洗前后對(duì)支撐板的視頻檢查，發(fā)現(xiàn)清洗前的泥渣在鼓泡清洗后得到很好的清除，鼓泡清洗取得較好的效果。

3 化學(xué)清洗

目前，核電站蒸汽發(fā)生器化學(xué)清洗的方法有3種。分別是SGOG-EPRI化學(xué)清洗(SGOG和EPRI是加拿大蒸汽發(fā)生器業(yè)主集團(tuán)與電力研究所)、EDF化學(xué)清洗(EDF為法國電力公司)及KWU化學(xué)清洗(KWU為西門子電站聯(lián)盟)。這3種化學(xué)清洗方法都進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，并隨著時(shí)間的推移，技術(shù)愈發(fā)成熟，蒸汽發(fā)生器的化學(xué)清洗效果更好。

SGOG-EPRI化學(xué)清洗采用兩個(gè)步驟完成蒸汽發(fā)生器的清洗工作。首先去除四氧化三鐵，其次清洗銅和氧化物。采用EDTA溶劑，利用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶劑配合其它化學(xué)試劑在pH值與實(shí)施溫度限定范圍內(nèi)，對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行全高度或者一定高度的清洗工作。這種化學(xué)清洗技術(shù)因緩蝕劑中含硫，可能出現(xiàn)腐蝕的危險(xiǎn)性(因科鎳管子化學(xué)清洗時(shí)未出現(xiàn))。另外，需要分步來溶解氧化鐵和銅，產(chǎn)生大量的排出液和廢液。

KWU化學(xué)清洗由高溫去鐵和室溫去銅兩個(gè)清洗工藝組成，兩種工藝可單獨(dú)使用也可結(jié)合使用。除鐵和除銅過程中實(shí)施溫度不同，溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同，但清洗過后蒸汽發(fā)生器里的殘留溶劑都可以在達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)生分解，并且殘留溶劑對(duì)蒸汽發(fā)生器沒有損害，伴隨運(yùn)行過程將會(huì)消失。因?yàn)閷?shí)施溫度較高的緣故，化學(xué)清洗速度相對(duì)較快，縮短了蒸汽發(fā)生器的清洗時(shí)間。此外，使用溶劑之中未添加緩蝕劑，對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)結(jié)構(gòu)的材料有腐蝕的可能性，應(yīng)該根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制浸泡時(shí)間。

EDF化學(xué)清洗利用含有緩蝕劑的檸檬酸和葡萄酸的混合劑先溶解四氧化三鐵，然后降低溫度，使用除鐵后的溶液再除銅，完成了在同一溶液里除鐵和除銅，產(chǎn)生的排出液和廢液有效減少。但與SGOG-EPRI化學(xué)清洗有相同的缺點(diǎn)，化學(xué)清洗過程中添加的緩蝕劑含硫，所以需要使用檸檬酸和無硫緩蝕劑來清除殘余硫，增加了工作量。

在國外，化學(xué)清洗是蒸汽發(fā)生器二次側(cè)全范圍清洗的主流方法，并已積累了大量的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，其中大多數(shù)核電站的化學(xué)清洗是非常成功的[4]。但國內(nèi)核電站尚未進(jìn)行過相關(guān)化學(xué)清洗的實(shí)施工作。

隨著技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)清洗已經(jīng)融合鼓泡清洗成為一種更高效、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)更低的清洗技術(shù)。將鼓泡清洗使用的除鹽水以化學(xué)溶劑代替，利用鼓泡清洗的特點(diǎn)，可以減少化學(xué)清洗溶劑的添加量及降低化學(xué)清洗實(shí)施溫度，成為更符合核電站蒸汽發(fā)生器維護(hù)保養(yǎng)需求的清洗技術(shù)。

4 清洗工藝討論

根據(jù)國內(nèi)核電站的蒸汽發(fā)生器維護(hù)保養(yǎng)現(xiàn)狀可以看出，每次大修停堆期間均采用單純的機(jī)械清洗方式，盡管在蒸汽發(fā)生器管板泥渣去除和減緩硬性泥渣增長(zhǎng)方面取得不錯(cuò)成果 ，但是蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的泥渣總量總會(huì)逐年增加，而且二回路中的雜質(zhì)對(duì)傳熱管的腐蝕影響愈發(fā)嚴(yán)重，這也是造成傳熱管堵管工作增加的主要原因之一。

國內(nèi)各個(gè)核電相關(guān)單位也在積極尋求適合我國核電站蒸汽發(fā)生器的清洗工藝。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)外主流的三種清洗工藝的分析比較見表2。

表2 清洗工藝分析比較Table 2 Analysis and comparison of cleaning process

5 展望

目前國內(nèi)蒸汽發(fā)生器管板普遍采用的機(jī)械清洗方式受限于蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)，較難應(yīng)用于傳熱管外表面等上部區(qū)域的泥渣清除。國外普遍采用化學(xué)清洗的方式進(jìn)行蒸汽發(fā)生器上部構(gòu)件的泥渣

清除。但由于化學(xué)清洗對(duì)傳熱管有潛在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，且化學(xué)清洗的大量廢液處理也較為復(fù)雜[5-6]，國內(nèi)核電站均較為謹(jǐn)慎。鼓泡清洗技術(shù)對(duì)傳熱管沒有潛在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在國內(nèi)更易于推廣實(shí)施，但清洗效果較化學(xué)清洗略差。

隨著國內(nèi)核電機(jī)組服役年限的增加，蒸汽發(fā)生器的全面清洗技術(shù)已經(jīng)是蒸汽發(fā)生器狀態(tài)維護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)加快蒸汽發(fā)生器化學(xué)清洗、鼓泡清洗技術(shù)的相關(guān)研究，盡快形成實(shí)施能力，保障蒸汽發(fā)生器安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。