核電廠蒸汽發(fā)生器老化管理分析研究

馬若群，王 臣，盛朝陽，高 晨，呂云鶴，*

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

核電廠的蒸汽發(fā)生器（Steam Generator，簡稱SG）是一種大型熱交換器，其功能是利用反應(yīng)堆一回路的熱量使二次側(cè)的水沸騰，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)生電力。SG的主要安全功能在于作為放射性一次側(cè)與非放射性二次側(cè)之間的屏障是否能夠等到有效保障［1］。

SG為殼－管式熱交換器，其中每臺SG有幾千根傳熱管。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)反饋，SG傳熱管的腐蝕破損是影響核電廠非計(jì)劃停堆和經(jīng)濟(jì)代價(jià)的重要因素［2］。

為防止或緩解SG傳熱管的腐蝕破裂，延長SG的使用年限，核電廠應(yīng)對SG進(jìn)行老化管理，編制老化管理大綱、通過控制SG的水化學(xué)環(huán)境、必要的在役檢查檢測等措施，緩解SG的老化降質(zhì)，以確保SG的結(jié)構(gòu)完整性。本文將通過對SG的制造類型、老化機(jī)理、檢查和監(jiān)測、運(yùn)行管理和老化管理大綱等方面進(jìn)行介紹。

1 SG的制造類型

SG的主要作用是將核電廠一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路，使二回路的給水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝则?qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

SG由下部構(gòu)件（蒸發(fā)段）和上部構(gòu)件（汽水分離段）兩大部分組成。下部構(gòu)件主要有：下封頭、管板、下部筒節(jié)、U形傳熱管、管束套筒、支撐隔板等；上部構(gòu)件主要有：一級分離器、二級分離器、給水環(huán)管、限流器、上封頭、上部筒節(jié)等。SG的一次側(cè)屬于核安全一級，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的重要部件。因此SG的安全、可靠運(yùn)行是核電廠安全性、經(jīng)濟(jì)性的保障。

SG可分為不同的類型。根據(jù)二回路介質(zhì)在SG內(nèi)的流動(dòng)方式，可分為自然循環(huán)式、直流式SG；按傳熱管形狀分類，可分為U形管式、直管式、螺旋盤管式SG；按設(shè)備安裝方式分類，可分為立式和臥式SG。以下對SG的類型進(jìn)行簡要概述。

自然循環(huán)SG是一種直立的，具有外殼、U形傳熱管以及完整汽-水分離裝置的設(shè)備。簡化的壓水堆自然循環(huán)SG截面圖如圖1所示。典型的自然循環(huán)SG剖視圖如圖2所示。大型圓筒形容器包圍住倒置的U形管束，管束由幾千根單獨(dú)的U形管組成，在自然循環(huán)SG容器底部附近，每根傳熱管末端與一個(gè)厚金屬板（稱為管板）焊接的部位有一個(gè)孔洞。SG冷卻劑通過一個(gè)入口接管進(jìn)入半球形底部，流過U形管并在下部空腔經(jīng)出口接管流出。在管板下面的下部腔室中，一塊金屬板將進(jìn)入和流出的主冷卻劑分隔開，并引導(dǎo)冷卻劑流經(jīng)傳熱管。

圖1 自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器截面圖Fig.1 Schematic PWR recirculating steam generator cross section

圖2 自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器剖視圖Fig.2 Schematic PWR recirculating steam generator（cutaway view）

傳熱管由若干金屬隔板或方格形分壓器支撐，這些金屬板或分壓器沿著傳熱管管束豎直分布，在多個(gè)位置固定，在管束U形彎曲區(qū)域有各種形狀的條棒和小金屬板。自然循環(huán)SG上部區(qū)域包括給水管道系統(tǒng)接管和不同的旋流型汽-水分離器以及蒸汽干燥器。

典型的壓水堆（Pressurized Water Reactor，簡稱PWR）自然循環(huán)SG有西屋8個(gè)型號、巴威1個(gè)型號和燃燒工程2個(gè)型號，以及我國的CPR1000機(jī)組55/19B型SG，AP1000機(jī)組Delta-125型SG和EPR型壓水堆的SG［3］。

俄羅斯設(shè)計(jì)的VVER-440型和VVER1000型核電廠使用水平放置的管殼式SG，其中VVER-1000應(yīng)用于田灣核電廠。SG的組成部件包括一個(gè)壓力容器、一個(gè)水平放置的傳熱管管束、兩個(gè)直立的冷卻劑集流管、一個(gè)給水管道系統(tǒng)、汽-水分離裝置和蒸汽收集管（如圖3所示）。

圖3 VVER-1000 SGFig.3 VVER-1000 SG

主冷卻劑通過豎直的冷卻劑集流管熱段進(jìn)入SG，流過水平放置的浸入水中的不銹鋼傳熱管，然后經(jīng)豎直的集流管冷段流出。傳熱管末端穿入集流管管壁（其作用與壓水堆SG管板功能相似），并焊接在集流管內(nèi)壁表面。SG壓力容器是水平圓柱形筒體，使用碳素鋼（VVER-440）或者低合金珠光體鋼（VVER-1000）材料，由鍛造外殼、沖壓橢圓形封頭和沖壓支管及人孔一起焊接而成。冷、熱冷卻劑集流管垂直貫穿圓柱形筒體中部。集流管采用具有高拉伸性能的低合金鋼制造，表面覆蓋一層不銹鋼。傳熱管則是三角形交錯(cuò)布置，傳熱管管束均完全浸入水中。柵格由不銹鋼棒和沖壓波紋板組成，用于保持傳熱管整齊排列和穩(wěn)定。

2 SG的老化機(jī)理

經(jīng)過多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋和統(tǒng)計(jì)，SG各部件的老化機(jī)理大致分為：一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂（Pri?mary Water Stress Corrosion Crack，簡稱PWSCC）、二次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂（Outside Diameter Stress Cor?rosion Cracking，簡稱ODSCC）、晶間應(yīng)力腐蝕開裂（Intergranular Stress Corrosion Cracking，簡稱IG?SCC）、晶間侵蝕（Intergranular Attack，簡稱IGA）、微振磨損、點(diǎn)蝕、凹痕、高周疲勞等［4-6］（如圖4所示）。以下對這些老化機(jī)理進(jìn)行概述。

圖4 蒸汽發(fā)生器老化機(jī)理及發(fā)生位置Fig.4 The location of aging mechanism on the steam generator

2.1 一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂（PWSCC）

一次側(cè)應(yīng)力腐蝕是一種晶間腐蝕破裂［7］，主要取決于以下3個(gè)因素：（1）腐蝕環(huán)境（高溫水），一次側(cè)的水溫是導(dǎo)致PWSCC的主要因素；（2）高的殘余拉應(yīng)力或工作應(yīng)力，主要指制造和安裝階段產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及運(yùn)行階段的工作應(yīng)力。（3）敏感的管子微觀結(jié)構(gòu)，奧氏體合金的腐蝕行為主要取決于鎳和鉻的成分。從圖5可以看出，Inconel-600易受PWSCC的影響，而Inco?nel-690和Inconel-800則不易受一回路應(yīng)力腐蝕開裂的影響。

圖5 傳熱管中鎳含量對SCC的敏感示意圖Fig.5 Schematic diagram showing the influence of nickel content on the cracking processes

2.2 二次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂（ODSCC）

ODSCC常發(fā)生在二回路傳熱管外表面，包括IGSCC和IGA。ODSCC產(chǎn)生的原因主要取決于SG內(nèi)的雜質(zhì)濃度。冷凝器泄漏、補(bǔ)水系統(tǒng)雜質(zhì)、管道和熱交換器腐蝕以及除鹽裝置泄漏是雜質(zhì)的來源，這些雜質(zhì)隨著給水系統(tǒng)進(jìn)入SG，從而產(chǎn)生ODSCC。由于ODSCC開裂可能有多種存在形式（軸向短裂紋、軸向長裂紋、周向裂紋、網(wǎng)狀腐蝕等），需要合理考慮對這些ODSCC降質(zhì)的檢測。

2.3 微振磨損、磨蝕和減薄

這幾類SG降質(zhì)主要是由于機(jī)械降質(zhì)原因直接產(chǎn)生或者間接產(chǎn)生導(dǎo)致的。摩擦表面間連續(xù)不斷的小振幅、擺動(dòng)、運(yùn)動(dòng)引起的降質(zhì)，一般稱為微振磨損；傳熱管較大幅度的振動(dòng)，使傳熱管和支撐板間產(chǎn)生周期性的滑動(dòng)接觸，一般稱為磨蝕；減薄則主要是由振動(dòng)和腐蝕共同產(chǎn)生的。

流致振動(dòng)是產(chǎn)生微振磨損和磨蝕的主要原因。傳熱管的振動(dòng)可能是由于流體的橫向或者平向流動(dòng)引起的。這些機(jī)理的產(chǎn)生由傳熱管的支撐位置、支撐板的剛性、傳熱管和支撐板之間的間隙、二回路流速和流向以及傳熱管表層氧化膜特性等因素決定。

2.4 點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕是由氯化物或硫酸根加速的局部腐蝕電池引起，表現(xiàn)為傳熱管壁由于局部腐蝕電池效應(yīng)而出現(xiàn)小直徑的穿透，使得傳熱管壁厚較薄的地方出現(xiàn)點(diǎn)蝕降質(zhì)。產(chǎn)生點(diǎn)蝕的原因主要是由于冷凝器泄漏、離子交換器漏入的金屬顆粒、樹脂碎片或再生化學(xué)物質(zhì)的泄漏，從而引入氯化物或硫酸根等雜質(zhì)形成點(diǎn)蝕。

2.5 凹痕

凹痕主要是由于傳熱管與支撐板接觸處或傳熱管在管板內(nèi)部接觸處的收縮或機(jī)械變形。傳熱管與支撐板或管板之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)沉積物的累積和腐蝕產(chǎn)物的增加是造成凹痕的主要原因，某些核電廠的雜質(zhì)堆積區(qū)也發(fā)現(xiàn)了凹痕。凹痕不會單獨(dú)導(dǎo)致傳熱管管壁穿透或降低傳熱管的完整性，但是在核電廠的凹痕較嚴(yán)重時(shí)，將可能對傳熱管支撐結(jié)構(gòu)造成損壞。

2.6 高周疲勞

高周疲勞是指由于高振幅與低疲勞強(qiáng)度相結(jié)合，從而可能導(dǎo)致疲勞失效。抗振條支撐不當(dāng)，并伴隨高頻率再循環(huán)會導(dǎo)致SG傳熱管振動(dòng)。傳熱管制造階段存在的較高的平均應(yīng)力（如殘余應(yīng)力）或制造安裝缺陷，使材料的疲勞強(qiáng)度降低。存在這樣情況的傳熱管，易受高周疲勞失效的影響。

3 SG的檢查和監(jiān)測

定期對SG進(jìn)行檢查和監(jiān)測是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備或部件的老化降質(zhì)，以避免SG的安全功能受到影響，并且檢查和監(jiān)測的結(jié)果為后續(xù)運(yùn)行工況的運(yùn)行策略的更改提供了依據(jù)，為老化管理措施的優(yōu)化或維修的方式和時(shí)機(jī)提供了技術(shù)支撐。

對于SG的老化管理方面的檢查和監(jiān)測主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容［8］：

（1）役前和在役檢查；

（2）一次側(cè)、二次側(cè)無損檢查；

（3）給水接管及其臨近區(qū)域的疲勞監(jiān)測；

（4）核素N-16監(jiān)測；

（5）內(nèi)部松動(dòng)部件監(jiān)測；

（6）一次側(cè)水室目視檢查；

（7）二次側(cè)目視檢查和異物取出；

（8）汽水分離部件檢查。

除了給水接管及其臨近區(qū)域的疲勞監(jiān)測和汽水分離器部件檢查外，其他檢查和監(jiān)測項(xiàng)目都有相應(yīng)的大綱和程序進(jìn)行管理和實(shí)施［9］。表1對國際上主要國家對于傳熱管檢查的要求進(jìn)行了梳理。

表1 各國的檢查要求Table 1 Inspection requirements of nations

4 SG的運(yùn)行管理

SG的運(yùn)行狀況對SG降質(zhì)的影響較為顯著，通過控制和優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)所采取的管理方法將幫助核電廠操作員防止或至少減輕蒸汽發(fā)生器老化所導(dǎo)致的性能劣化，從而使部件的壽命盡量延長［10-12］。這些措施的實(shí)施在成本代價(jià)上有望比修理或更換蒸汽發(fā)生器要經(jīng)濟(jì)，而且可能為延長某些蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行提供所需的額外保證。這些運(yùn)行管理見表2。

表2 SG運(yùn)行管理措施要求Table 2 Operational management measures requirements of SG

運(yùn)行數(shù)據(jù)提供了蒸汽發(fā)生器的服役條件下的歷史信息，這些數(shù)據(jù)應(yīng)與原始的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行比較，核對不符合之處。運(yùn)行數(shù)據(jù)有特殊的價(jià)值，可用于詳細(xì)評估老化機(jī)理的未來潛在影響。

檢查和監(jiān)督數(shù)據(jù)提供了蒸汽發(fā)生器服役狀態(tài)的歷史信息和判斷當(dāng)前性能的基準(zhǔn)。這對跟蹤性能劣化的進(jìn)程極有價(jià)值。數(shù)據(jù)需經(jīng)審查，以確認(rèn)蒸汽發(fā)生器的服役狀態(tài)隨時(shí)間的變化是穩(wěn)定的、可預(yù)測的。同樣，這些數(shù)據(jù)對于判斷已經(jīng)執(zhí)行的維修措施的有效性也十分重要。

核電廠特定類型的蒸汽發(fā)生器還需考慮特定的數(shù)據(jù)資料及其重要性。如有必要，還應(yīng)建立蒸汽發(fā)生器老化管理數(shù)據(jù)庫，用于滿足今后對數(shù)據(jù)的查詢和分析。

5 SG老化管理大綱

核電廠應(yīng)建立并實(shí)施SG老化管理大綱（Ag?ing Management Program，簡稱AMP），它將現(xiàn)有的與SG老化管理相關(guān)的文件、程序、準(zhǔn)則、活動(dòng)有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個(gè)系統(tǒng)的程序，包括協(xié)調(diào)和優(yōu)化電站與SG有關(guān)的運(yùn)行大綱、監(jiān)督程序、維護(hù)大綱，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，研究與開發(fā)綱要以及技術(shù)支持程序等。通過AMP的有效實(shí)施，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)SG存在的老化機(jī)理，并通過采取針對性措施，以控制和緩解老化降質(zhì)，保證SG的結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性。

IAEA技術(shù)導(dǎo)則《核電廠主要安全重要部件老化的評估和管理：SG》（IAEA-TECDOC-1668）［13］記錄了核電廠SG老化評估和管理的現(xiàn)行做法，并提供了當(dāng)前SG老化管理的檢查、監(jiān)測和維護(hù)做法，并為各成員國制定具體的SG老化管理大綱提供了指導(dǎo)意見。

美國核管會（United States Nuclear Regulato?ry Commission，簡稱U.S.NRC）頒布的NUREG 1801報(bào)告（GALL）［14］中對SG的各個(gè)部件的材料、老化機(jī)理以及所采取的措施進(jìn)行了舉例，并在附錄中對SG的AMP進(jìn)行了概述。核電廠可根據(jù)此報(bào)告對比自身情況，進(jìn)行SG的老化管理。

美國SG的AMP是根據(jù)美國核能研究所（The Nuclear Energy Institute，簡稱NEI）97-06《SG老化管理大綱導(dǎo)則》［15］建立的。該大綱參考了許多行業(yè)導(dǎo)則（例如EPRI壓水堆SG檢查導(dǎo)則、壓水堆一次側(cè)至二次側(cè)泄漏導(dǎo)則、壓水堆一回路水化學(xué)導(dǎo)則、壓水堆二回路水化學(xué)導(dǎo)則、SG完整性評估導(dǎo)則、SG現(xiàn)場壓力試驗(yàn)導(dǎo)則），這些行業(yè)導(dǎo)則結(jié)合了預(yù)防、緩解、檢查、評估、維修和泄漏監(jiān)測等措施。

根據(jù)上述技術(shù)文件，適用于SG的AMP應(yīng)包括以下內(nèi)容：大綱范圍、預(yù)防措施、參數(shù)監(jiān)測/檢測、老化效應(yīng)探測、趨勢分析和評估、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、糾正措施、質(zhì)量管理、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等方面。

對SG老化認(rèn)知來自SG的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行和維修歷史以及外部經(jīng)驗(yàn)。這種認(rèn)知應(yīng)根據(jù)實(shí)施的AMP開展的工作不斷更新，并對AMP的有效性進(jìn)行評估，以此持續(xù)對AMP進(jìn)行優(yōu)化和更新。

6 總結(jié)與建議

通過對SG的功能作用、建造類型、老化機(jī)理、檢查和監(jiān)測、運(yùn)行管理和老化管理大綱的描述，結(jié)合SG在核電廠運(yùn)行中所起的關(guān)鍵作用和對安全的重要影響，對SG實(shí)施有效的老化管理是保證核電廠安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行中必不可少的關(guān)鍵因素。筆者對核電廠SG的老化管理提出如下建議：

（1）應(yīng)根據(jù)電廠的SG類型和材料特性，結(jié)合國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)文件，梳理和分析適用于自身的SG老化機(jī)理，并對其開展研究。

（2）應(yīng)編制SG的檢查和監(jiān)測程序，以及對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理。SG運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和整理，對今后核電廠的許可證延續(xù)、SG的狀態(tài)評估以及維修等管理措施提供了輸入和依據(jù)。

（3）加強(qiáng)和優(yōu)化SG的運(yùn)行管理，通過對上述老化機(jī)理的理解掌握，以及對檢測數(shù)據(jù)的收集整理，可以對SG運(yùn)行管理的持續(xù)性優(yōu)化提供支持。

（4）應(yīng)盡可能早的開發(fā)實(shí)施SG的老化管理大綱，以便協(xié)調(diào)核電廠各個(gè)技術(shù)接口，整合和優(yōu)化各專業(yè)程序。

（5）持續(xù)開展老化管理經(jīng)驗(yàn)反饋，及時(shí)分享相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，推廣良好實(shí)踐，汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免同類事件重復(fù)發(fā)生，保證設(shè)備安全運(yùn)行。