田灣核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管在役檢查優(yōu)化

彭思桐,孫 玉,楊興旺,高 晨,盛朝陽

(1.江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042；2.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

田灣核電站1，2號機組為VVER-1000型壓水堆型，采用了俄羅斯水壓設(shè)計院設(shè)計的ПГВ-1000M型臥式蒸汽發(fā)生器，由俄羅斯工廠生產(chǎn)，每臺蒸汽發(fā)生器(以下簡稱SG)有10 978根傳熱管，傳熱管材料為08X18H10T的奧氏體不銹鋼，規(guī)格為?16 mm×1.5 mm，蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ПГВ-1000M型臥式蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

在工程建設(shè)階段，1號機組2,3,4號SG由于運輸、保養(yǎng)等原因，在役前檢查時發(fā)現(xiàn)部分傳熱管存在氯致應力腐蝕，并開啟了不符合項進行堵管處理。2007年機組商運后，為了有效監(jiān)督傳熱管的金屬狀態(tài)、確保壓力邊界的完整性，經(jīng)核安全審評后，確定了1號機組每次換料大修期間對2,3,4號SG抽檢約60%(約6 000根以上)傳熱管(包含所有缺陷管)的檢查方案。

在機組運行過程中，通過對一、二回路的水質(zhì)嚴格的運行控制，將應力腐蝕敏感元素氯離子控制至較低的水平，可以有效防止傳熱管應力腐蝕的發(fā)生。歷次大修過程中2，3，4號SG的傳熱管渦流檢查結(jié)果表明，運行后傳熱管未產(chǎn)生新的缺陷、原有的微小缺陷也未見明顯的擴展，說明傳熱管金屬狀態(tài)已基本穩(wěn)定。按照當前的檢查方案，在1號機組每次大修期間，SG傳熱管的總檢查數(shù)量達到18 000 根以上，檢查量是在役檢查大綱要求(每次大修檢查1臺SG，共1 792根)的10倍。

圖2 役前檢查發(fā)現(xiàn)的傳熱管應力腐蝕裂紋

鑒于2，3，4號SG自2007年投運至今的運行實踐，傳熱管金屬狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，有必要在確保核安全且滿足規(guī)范大綱的前提下，對SG傳熱管檢查方案進行優(yōu)化。本文對這3臺SG傳熱管在役檢查優(yōu)化的可行性進行研究，提出優(yōu)化的檢查方案，現(xiàn)場大修證實優(yōu)化后的檢查方案取得了良好的效果。

1 傳熱管降質(zhì)機理分析

壓水堆SG傳熱管有幾種不同的降質(zhì)機理，主要為一次側(cè)應力腐蝕、二次側(cè)應力腐蝕、點蝕、微振磨損、凹陷等[1]。對VVER機組臥式蒸汽發(fā)生器的奧氏體不銹鋼傳熱管而言，因應力腐蝕裂紋有高擴展率，是常見的最危險的腐蝕類型之一。另外，與二次側(cè)應力腐蝕裂紋出現(xiàn)的相同部位還會出現(xiàn)點蝕，雖然其擴展率比應力腐蝕慢，但點蝕一般都與微小腐蝕裂紋共存，且點蝕坑往往是應力腐蝕的裂紋源，因此也是傳熱管降質(zhì)關(guān)注的重點[2]。

傳熱管結(jié)垢的過程是二回路中的腐蝕產(chǎn)物、不溶雜質(zhì)沉積、蒸干濃縮的過程。二回路水質(zhì)中總會含有少量的懸浮的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物(氧化鐵和氧化銅)在二回路參數(shù)溶解度很低，加之SG下部流速也很低，很難隨排污水排掉，結(jié)垢過程便會在傳熱管全表面范圍內(nèi)發(fā)生[3]。當二回路中銅含量較高時，銅會沉積在碳鋼管道內(nèi)表面上，具備電化學腐蝕的條件，加速碳鋼管道的腐蝕，從而增加傳熱管表面的結(jié)垢[4]。

運行過程中，在多孔沉積物內(nèi)發(fā)生著強烈的“蒸濃”和腐蝕性元素的濃集過程，當氯離子濃度偏高時，會在傳熱管金屬表面起保護作用的氧化膜附近的沉積物夾縫內(nèi)聚集，由于水解作用，局部會形成酸性環(huán)境，導致氧化膜的破裂，暴露在腐蝕環(huán)境中的金屬成為陽極，產(chǎn)生了腐蝕坑，如圖3[2]所示。蝕坑的尖端位置處，當其尖端應力水平值高于應力腐蝕裂紋萌生的門檻值時，應力腐蝕裂紋會在此處萌生，腐蝕過程也將進一步加劇[5-6]。

因此，從傳熱管的降質(zhì)機理上可以看出，對傳熱管降質(zhì)產(chǎn)生影響最大的雜質(zhì)分為兩類：一類是腐蝕活化劑，它們是Cl-，F(xiàn)-和SO42-；另一類是氧化劑，它們是O，Cu和腐蝕產(chǎn)物中的高價鐵。而在實際運行中，Cl-，Cu和O對SG傳熱管的腐蝕影響最大。

圖3 點蝕的產(chǎn)生機理示意

2 蒸汽發(fā)生器運行狀態(tài)

2.1 水化學環(huán)境

為了避免傳熱管腐蝕降質(zhì)情況的產(chǎn)生，田灣核電站二回路水化學條件采用聯(lián)胺-氨水全流量凈化工藝，并穩(wěn)定保持給水pH值為9.4～9.6，凝汽器使用鈦合金管，二回路換熱器和管線使用不含銅材質(zhì)。采用聯(lián)胺-氨水化學工況，目的是通過加NH3提高二回路工作介質(zhì)的pH值，以緩解碳鋼材料的腐蝕，防止SG內(nèi)產(chǎn)生鐵垢和銅垢的沉積。而二回路含銅材質(zhì)的控制可以進一步降低二回路水中的Cu含量，從而減少SG傳熱管表面沉積物的產(chǎn)生[7]。

自商運以來，田灣核電站二回路水化學WANO指標一直保持在1.000的世界先進水平，每個燃料周期間的數(shù)值總體趨勢無明顯變化，水質(zhì)控制良好。鑒于二回路中的Cl-,Cu和O對SG傳熱管的腐蝕降質(zhì)影響最大，為更好地判斷SG傳熱管運行期間的水化學環(huán)境，取1號機組SG二次側(cè)排污水中Cl-取樣結(jié)果以及二回路給水中的Cu和溶解O取樣結(jié)果進行分析，具體參數(shù)見表1。

表1 二回路水化學參數(shù)

從表1可以看出，田灣核電站1號機組的二回路水質(zhì)情況良好，對于SG傳熱管影響較大的Cl-,Cu和溶解O的控制均達到了較為理想的水平，再加上較高的給水pH值，可以有效減少SG傳熱管腐蝕產(chǎn)物的沉積結(jié)垢，從源頭上避免了新缺陷的產(chǎn)生和已有缺陷的擴展。

2.2 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)腐蝕狀態(tài)

為跟蹤SG二次側(cè)傳熱管表面沉積物狀態(tài)，1號機組投入運行以來，每次大修至少對1臺SG二次側(cè)腐蝕狀態(tài)進行檢查，累計進行了17臺次，如發(fā)現(xiàn)沉積物異常情況，則對沉積物進行取樣檢查。

圖4 SG傳熱管外表面形態(tài)

歷次檢查表明：(1)SG二次側(cè)腐蝕狀態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)，得益于二回路良好的水化學控制，傳熱管表面狀態(tài)良好，覆蓋有均勻致密氧化膜，傳熱管表面未見結(jié)垢龜裂，沉積物較少且質(zhì)地松散，如圖4所示；(2)傳熱管取樣過程中能刮取到的沉積物較少，歷次大修沉積物取樣情況如圖5所示，最近一次取樣在T110大修期間，單位面積沉積物為0.7 g/m2，歷次取樣單位面積沉積物最大為2007年測得的7.609 g/m2。歷次取樣結(jié)果均遠低于運行手冊規(guī)定的化學沖洗標準100 g/m2。

圖5 歷次大修傳熱管取樣沉積物量統(tǒng)計

同時，為了評估機組在實際運行過程中，SG二次側(cè)沉積物狹縫內(nèi)陰陽離子的局部聚集情況，田灣核電站在T104,T105和T210大修降功率及冷停堆階段，通過二回路溫度、流量和各類離子濃度變化的特征，分別對1,2號機組SG進行了雜質(zhì)隱藏返回計算。從圖6的計算結(jié)果可見，在SG二次側(cè)沒有出現(xiàn)侵蝕性陰、陽離子的雜質(zhì)隱藏，目前的雜質(zhì)隱藏未對二次側(cè)的化學環(huán)境產(chǎn)生明顯的不利影響，當前SG狀態(tài)較好[8-9]。

(a)陽離子隱藏返回量

3 傳熱管渦流檢查情況和結(jié)果

3.1 蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查情況

根據(jù)田灣核電站在役檢查大綱的要求，對于SG傳熱管實施外圍兩圈的固定范圍內(nèi)，共有1 792根傳熱管實施渦流檢查。但由于1號機組2,3,4號SG役前檢查期間的傳熱管不符合項，后續(xù)換料大修中對這3臺SG的傳熱管進行了連續(xù)的跟蹤和擴大檢查，每臺SG檢查范圍為包括所有缺陷管在內(nèi)的共計6 000根左右傳熱管。目前已對1號機組2,3,4號SG缺陷管完成了12次跟蹤檢查，對其他傳熱管至少完成了7次全面檢查。歷次檢查結(jié)果表明，運行以后未發(fā)現(xiàn)新增缺陷，極少數(shù)缺陷超過堵管準則的傳熱管進行了機械堵管。

3.2 傳熱管缺陷擴展速率分析

田灣核電站對役前檢查期間發(fā)現(xiàn)的典型缺陷進行了破壞性試驗，同時每次大修均對歷史缺陷使用INETEC公司的旋轉(zhuǎn)探頭進行了定性檢驗，檢查結(jié)果表明，2,3,4號SG傳熱管現(xiàn)有缺陷均為二次側(cè)應力腐蝕缺陷。鑒于傳熱管缺陷類型相同，為了進一步探究SG傳熱管的缺陷狀態(tài)，分析現(xiàn)有缺陷的擴展情況和發(fā)展趨勢，文中基于這3臺SG現(xiàn)有缺陷的檢查結(jié)果，遵照EPRI《蒸汽發(fā)生器完整性評估導則》第5章“降質(zhì)增長率計算”中的實際估計法，對T106-T111近6次大修傳熱管檢查結(jié)果的缺陷數(shù)據(jù)進行分析，采用算術(shù)統(tǒng)計和概率統(tǒng)計相結(jié)合的方法對缺陷的擴展速率進行了計算[10]。

由于渦流檢查系統(tǒng)會因檢查人員、檢查設(shè)備等造成一定的系統(tǒng)誤差[2]，對缺陷檢查數(shù)據(jù)造成一定影響。渦流檢查系統(tǒng)一般是通過多次測量多個已知深度的人工缺陷或傳熱管上已知類型(如應力腐蝕裂紋)的缺陷，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到檢查系統(tǒng)的誤差。圖7示出田灣核電站使用的INETEC公司檢查系統(tǒng)測量誤差曲線，可以看出缺陷的幅值越大，測量的誤差越小，但幅值達到一定程度，誤差將趨向一定值。從圖中可以得到田灣SG傳熱管檢查系統(tǒng)的測量誤差約為±20%。

圖7 渦流檢查系統(tǒng)測量誤差曲線

因此，在計算過程中，前提假設(shè)渦流檢查系統(tǒng)誤差服從正態(tài)分布。數(shù)據(jù)處理上，首先將同一缺陷相鄰大修的檢查數(shù)據(jù)進行兩兩比較，得到缺陷擴展數(shù)據(jù)集，在篩除缺陷擴展數(shù)據(jù)集中的極端值后進行正態(tài)檢驗和差異顯著性檢驗。經(jīng)驗證，數(shù)據(jù)集符合EPRI導則中對數(shù)據(jù)數(shù)量、分布、方差水平等分析要求。最后再進行計算，得到這3臺SG的缺陷擴展速率均值、95%置信區(qū)間和中位數(shù)等計算結(jié)果，如表2所示。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可從總體上描述傳熱管缺陷擴展趨勢及特點。

表2 缺陷擴展速率

從統(tǒng)計學角度來看，3臺SG的總體數(shù)據(jù)量更大，取其均值(0.11%/年)可以從宏觀上對SG整體缺陷擴展的趨勢進行定性的評價，更能夠體現(xiàn)傳熱管缺陷的整體狀態(tài)。從3臺SG數(shù)據(jù)的統(tǒng)計均值來看，其統(tǒng)計擴展量均值僅為0.11%/年，遠低于渦流檢查系統(tǒng)和其他因素帶來的檢測誤差，從工程上可理解為SG帶缺陷傳熱管狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，缺陷擴展極為緩慢或者不擴展[11-13]。同時也證明，1號機組2，3，4號SG良好的水化學條件和運行工況，對抑制已有缺陷的擴展、保持傳熱管良好的金屬狀態(tài)發(fā)揮了積極的作用。

4 優(yōu)化的檢查方案和實施效果

4.1 優(yōu)化方案的依據(jù)

田灣核電站1號機組是依據(jù)俄羅斯法規(guī)設(shè)計的，傳熱管檢查范圍必須滿足俄羅斯規(guī)范要求。俄羅斯核動力規(guī)范ПНАЭ Г-7-008-89《核動力裝置的設(shè)施和設(shè)備及管道的安全運行規(guī)程》以及2015年升版后的НП-089-15《核動力裝置的設(shè)備和管道及安全運行規(guī)定》中，均未規(guī)定SG傳熱管的檢驗范圍和缺陷傳熱管的跟蹤檢查。2010年升版后的АТПЭ-9-09《WWER-1000反應堆核電站運行時設(shè)備和管道母材和焊接接頭狀況在役檢查標準大綱》中對SG的檢驗要求為：“按蒸汽發(fā)生器運行結(jié)果和過去進行的檢查結(jié)果，根據(jù)管子金屬的實際狀況，確定熱交換管檢查周期、檢查范圍和檢查區(qū)”?？梢?，俄羅斯標準大綱對于傳熱管檢驗要求主要取決于設(shè)計院的初始要求以及傳熱管金屬的實際狀況，并非是固定不變，而是根據(jù)傳熱管狀態(tài)進行持續(xù)地調(diào)整。

HAD103/07“核電廠在役檢查”的第3.6條“重復檢驗”對超標缺陷的跟蹤檢查提出了明確要求，即“一旦所要求的重復檢驗表明在隨后的三個檢查中缺陷基本上保持不變，則該部件的檢驗進度可恢復到最初的檢查要求”。HAD103原則上規(guī)定了出現(xiàn)過超標缺陷的部件，可根據(jù)后續(xù)檢測結(jié)果對檢驗要求進行調(diào)整。

4.2 優(yōu)化的檢查方案

除符合上述法規(guī)和導則的要求外，田灣1號機組蒸發(fā)器傳熱管并沒有發(fā)生應力腐蝕開裂和點蝕的環(huán)境條件，傳熱管未發(fā)現(xiàn)新增缺陷，現(xiàn)有的缺陷顯示其發(fā)展已趨于穩(wěn)定，因此，對傳熱管檢查范圍進行適當?shù)恼{(diào)整優(yōu)化是可行的。為此，考慮對已有缺陷的傳熱管進行持續(xù)跟蹤，對無缺陷傳熱管的檢查數(shù)量進行優(yōu)化。1號機組2，3，4號SG傳熱管優(yōu)化后的檢查方案為：每次大修檢查1臺蒸汽發(fā)生器60%的傳熱管(約6000根，包含所有缺陷管)和其余兩臺蒸汽發(fā)生器的所有缺陷管。優(yōu)化后每6次燃料循環(huán)完成2號，3號和4號共3臺SG無缺陷傳熱管的全面檢查，且每次均對所有已有缺陷管進行跟蹤檢查，在考慮了一定保守度的情況下，每次大修傳熱管檢查工作量降低了60%以上，優(yōu)化后的檢查方案已獲得國家核安全監(jiān)管部門的審查批準，并納入在役檢查大綱進行管理。截至目前，田灣核電站已按照優(yōu)化后的檢查方案實施了T112和T113大修蒸發(fā)器傳熱管的檢查，大修結(jié)果證實沒有出現(xiàn)新的缺陷，優(yōu)化后的檢查方案取得了良好的效果。

5 結(jié)語

不論從蒸發(fā)器傳熱管的運行狀態(tài)，還是從法規(guī)標準來說，以電站自身運行數(shù)據(jù)制定新的檢查范圍更為合理。田灣核電站1號機組2，3，4號SG傳熱管的記錄缺陷已進入穩(wěn)定期，其余傳熱管金屬狀態(tài)良好，同時良好的二回路水化學控制也為抑制新缺陷產(chǎn)生和已有缺陷的擴展提供了有利條件，對2，3，4號SG的在役檢查進行優(yōu)化是可行的，為此調(diào)整并制定了優(yōu)化的檢查方案，優(yōu)化后的檢查方案在現(xiàn)場大修實施后，證明有良好的效果。