某核電站高溫取樣冷卻器傳熱管開裂原因

張志明, 郭 凱, 李心剛, 馬朝龍, 蔡寶光

(1.大亞灣核電運營管理有限責任公司, 深圳 518000;2.中廣核核電運營有限公司, 深圳 518000)

核電站取樣系統(tǒng)是為化學和放射化學液體和氣體集中取樣設計的，它從反應堆冷卻劑系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器二次側和蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)等位置抽取樣品，通過高溫和低溫取樣冷卻器(冷卻水來自設備冷卻水系統(tǒng))進行兩級冷卻，以滿足其最終溫度要求。

2019年某核電機組在運行過程中發(fā)現REN(核取樣系統(tǒng))高溫取樣冷卻器蛇形傳熱管(簡稱傳熱管)發(fā)生開裂泄漏，該冷卻器為立式管殼式熱交換器，蛇形傳熱管外徑為10.2 mm，壁厚為1.8 mm，材料為00Cr19Ni10鋼，管內、外介質均為排污水，水質基本與除鹽除氧二回路水相同。經調查發(fā)現，該電站機組的傳熱管曾發(fā)生多次類似的泄漏事故，國外也有對核電站機組REN熱交換器傳熱管相似開裂事故的報道[1-2]。為找到該核電廠高溫取樣冷卻器，傳熱管的開裂原因，筆者對開裂的冷卻器蛇形傳熱管進行了一系列宏觀觀察、金相檢驗、化學成分分析、硬度測試和腐蝕產物分析，并提出建議，以期為核電站取樣系統(tǒng)冷卻器的有效管理和安全穩(wěn)定運行提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對開裂的傳熱管進行觀察，去除腐蝕產物前后宏觀形貌如圖1所示?？梢婍敳總鳠峁芡獗砻娲嬖谝粚虞^厚的紅褐色腐蝕產物，部分紅褐色產物剝落后可見褐色或黑褐色的內層腐蝕產物，底部傳熱管則呈金屬光澤，無腐蝕產物沉積。在傳熱管頂部內側觀察到一處肉眼可見裂紋，裂紋寬度最大為0.2 mm，去除外表面腐蝕產物后在體視顯微鏡下觀察，可見一裂紋沿與傳熱管徑向呈30°夾角方向擴展，裂紋長度約9.3 mm，同時可見管壁外表面凹凸不平，存在大量淺的溝槽、凹坑。

圖1 開裂傳熱管去除腐蝕產物前后宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked heat transfer tube before and after removing corrosion products: a) overall morphology before removing corrosion products; b) morphology of cracking before removing corrosion products; c) crack morphology after removing corrosion products

1.2 掃描電鏡及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM)對去除腐蝕產物前后的傳熱管外表面頂部進行分析，SEM形貌如圖2所示。由圖2a)和2b)可見，表面沉積的腐蝕產物較為疏松，致密性較差，因此對傳熱管基體的保護作用有限；由圖2c)和2d)可見，管壁外表面有明顯的微小溝槽和孔洞；由圖2e)和圖2f)可見，裂紋末端有明顯的二次分叉裂紋。對去除腐蝕產物前的傳熱管A和B兩處進行能譜(EDS)分析，結果如圖3所示，可見腐蝕產物主要含有氧、磷、鈣、鐵等元素，元素含量存在差異。

圖3 去除腐蝕產物前的傳熱管外表面位置A和位置B的EDS分析結果Fig.3 EDS analysis results of a) position A and b) position B on the outer surface of heat transfer tube before removing corrosion products

1.3 微觀分析

沿著寬度為0.2 mm的裂紋擴展方向截取縱截面金相試樣，對其進行觀察，微觀形貌如圖4所示?？梢娫摿鸭y起源于傳熱管外壁，幾乎貫穿整個壁厚，在裂紋末端可見裂紋呈樹枝狀分叉，并沿著奧氏體晶界擴展，如圖4a)和圖4b)所示。同時，在開裂位置附近也發(fā)現數條微裂紋，微裂紋同樣自傳熱管外表面沿晶界向內表面擴展，未分叉，如圖4c)和圖4d)所示。對金相試樣進行SEM分析，圖5為縱截面裂紋SEM形貌，可見裂紋沿晶界擴展，晶界上未見晶間碳化物等有害相析出。

圖4 去除腐蝕產物后的開裂傳熱管裂紋處不同放大倍數下縱截面的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of longitudinal section at different magnifications at crack position ofcracked heat transfer tube after removing corrosion products:a) at low magnification; b) at medium magnification; c) at medium magnification; d) at high magnification

圖5 去除腐蝕產物后開裂傳熱管裂紋縱截面處的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of longitudinal section at crack positionof cracked heat transfer tube after removing corrosion products:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 化學成分分析

對開裂傳熱管進行化學成分分析，結果如表1所示，可見其化學成分符合GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》對00Cr19Ni10鋼的技術要求。

表1 傳熱管化學成分Tab.1 Chemical compositions of heat transfer tube

1.5 金相檢驗

寬度為0.2 mm的裂紋附近顯微組織和非金屬夾雜物形貌如圖6所示，可見傳熱管顯微組織為典型的奧氏體+孿晶組織，晶粒度為4～5級，無晶粒粗大等異常，根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》的技術要求對夾雜物進行評定，結果為D1級。晶粒度及夾雜物評級均符合GB 13296—2013對00Cr19Ni10鋼的技術要求。

圖6 傳熱管裂紋附近的顯微組織和夾雜物形貌Fig.6 a) Microstructure and b) inclusion morphology near crack of heat transfer tube

1.6 硬度測試

對傳熱管頂部開裂處和底部未開裂處進行維氏硬度測試，試驗力為0.1 N，結果如表2所示，可見兩處硬度值差異不大。開裂與未開裂段傳熱管硬度均大于200 HV0.1，超過GB 13296—2013要求的200 HV0.1上限值，硬度偏高。

表2 開裂傳熱管維氏硬度Tab.2 Vickers hardness of cracked heat transfer pipe HV0.1

2 分析與討論

換熱器管側(REN側)介質為排污水，換熱器殼側介質為除鹽水，以Na3PO4作為緩蝕劑，pH為11.5～12.5。換熱器管側進口介質溫度290 ℃，管側的高溫流體介質從換熱器底部進入，通過一段直管直達換熱器頂部，隨后通過蛇形傳熱管到達底部出口，期間高溫介質逐漸冷卻。因直管傳熱面積有限，且管內為層流狀態(tài)，換熱系數低，加上傳熱管外套管的存在也極大地影響了傳熱，因此頂部傳熱管內介質溫度可認為接近進口溫度(290 ℃)。孫永亮等[1]認為頂部傳熱管的管壁溫度高于換熱器殼側的汽化溫度，會導致蛇形管外壁局部過熱產生微區(qū)水沸騰汽化，磷酸鹽不斷被運送、殘留和聚集在頂部管的介質中，最終在管壁外表面以固相形式析出。同時，磷酸鹽富集并與基體、水中鈣離子等發(fā)生反應生成難溶性腐蝕產物，如堿式磷酸鈣[Ca5(OH)(PO4)3]等在傳熱管外表面沉積，使得傳熱效率降低，局部過熱，極限情況下，水沸騰汽化產生的汽泡聚結擴展成連續(xù)的蒸汽流，形成膜態(tài)沸騰，使得磷酸鹽隱藏加劇。磷酸鹽隱藏是磷酸鹽水工況機組中普遍存在的一種現象，其形成是物理作用(吸收或沉積)、化學作用及磷酸鈉鹽自身特性共同作用的結果[3-5]。

失效傳熱管表面腐蝕產物EDS分析結果表明，腐蝕沉積產物除了鐵和氧元素外還含有大量鈣和磷元素，考慮水環(huán)境中有磷酸三鈉作為緩蝕劑，不銹鋼在堿性條件下的點蝕被抑制，同時在腐蝕產物中未發(fā)現鹵族元素的存在，因此鹵素離子誘發(fā)點蝕導致開裂的可能性很小。綜合換熱器運行工況和腐蝕沉積產物成分，可以判斷傳熱管頂部外表面發(fā)生了磷酸鹽隱藏，磷酸鹽在局部濃縮、富集，并與傳熱管表面的氧化物Fe3O4反應。

機組功率的變化引起熱負荷波動和局部過熱(介質局部富集引起傳熱惡化)等都將會導致磷酸鹽隱藏的發(fā)生，從而析出固相附著在管壁上，使水中磷酸根濃度降低。隱藏發(fā)生時析出的固相除了以正磷酸或焦磷酸鈉鹽的形式存在外，還會和管壁的保護膜發(fā)生反應，而這正是控制磷酸鹽隱藏的主要機制。磷酸鹽隱藏發(fā)生的反應為

Fe3O4+5Na++5HPO42-+H2O→

2Na2FeOH(HPO4)PO4+NaFePO4+5OH-

(1)

(2)

(3)

由反應式可知，磷酸鹽隱藏發(fā)生時產生了游離OH-，高溫高壓條件下，它會在多孔沉積物下或持續(xù)汽塞的部位濃縮，有時可使OH-濃度達到0.1～1.0 mol·L-1甚至更高。這樣高的堿性條件下，金屬表面的保護性氧化膜溶解后，金屬就會發(fā)生堿性腐蝕而遭到破壞，應力高時就會發(fā)生堿脆。

堿脆是金屬材料應力腐蝕的一種形式，是指金屬材料在堿性溶液環(huán)境中，在應力和腐蝕介質的共同作用下發(fā)生腐蝕開裂的現象[6]。堿脆具有其自身的特點，具體表現為該種腐蝕沿晶間產生裂紋，是一種較為特殊的應力腐蝕；堿脆與單純的由應力或腐蝕造成的破壞不同，堿脆在極低的應力條件下也能發(fā)生；堿脆往往是沒有先兆的情況下突然斷裂，容易造成嚴重的事故。由上文可知，開裂傳熱管末端裂紋分叉，分叉裂紋沿晶界擴展，為典型的堿性溶液中的沿晶應力腐蝕開裂[7-10]。由此可見，傳熱管由于在富集的OH-作用下，其表面Fe3O4保護膜迅速溶解破壞，加之殘余內應力的作用，在基體表面形成初始裂紋，OH-在裂紋中富集，裂紋的尖端區(qū)域成為陽極，使得裂紋迅速擴展，最終導致傳熱管開裂失效。

3 結論與建議

(1) 傳熱管頂部存在局部水過熱沸騰而發(fā)生磷酸鹽隱藏，隨著磷酸鹽產物濃縮、沉積，沉積產物下局部OH-富集堿化，Fe3O4氧化膜進一步溶解，甚至與新鮮金屬基體直接反應，導致表面形成凹凸不平的腐蝕坑，在殘余應力的作用下發(fā)生堿致應力腐蝕開裂而導致泄漏。

(2) 建議對取樣器蛇形傳熱管外表面進行定期除垢清理，緩解表面磷酸鹽的沉積造成的局部水化學惡化或者對設備冷卻水(RRI)系統(tǒng)水化學進行優(yōu)化處理，降低游離堿的存在。