核電廠反應(yīng)堆指套管磨損過快治理技術(shù)探索

車銀輝，陳 強(qiáng)，祖 帥，王勤湖

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

指套管是核電廠內(nèi)的重要設(shè)備，其作用是給中子通量探測器提供進(jìn)出反應(yīng)堆燃料組件的通道[1]。針對反應(yīng)堆指套管磨損減薄的原因和預(yù)防措施，國內(nèi)開展相關(guān)定性研究。鄭超雄[2]等根據(jù)指套管在役檢查歷史數(shù)據(jù)開展趨勢分析，提出指形套管在役檢查策略。柳正均[3]介紹堆芯指套管磨損位置和磨損機(jī)理，同時(shí)介紹秦山核電站根據(jù)維修在役檢測結(jié)果，制定每2年一個(gè)循環(huán)的定期檢查計(jì)劃。陳松[4]通過指套管的結(jié)構(gòu)、在堆芯中的布置，結(jié)合堆芯結(jié)構(gòu)和介質(zhì)流特征，對指套管減薄的缺陷位置坐標(biāo)、位置節(jié)點(diǎn)等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出指套管減薄是由于微動(dòng)磨損造成的。張明乾[5]通過分析在役核電廠36組指套管渦流檢查磨損數(shù)據(jù)，得到指套管磨損位置和相關(guān)影響因素，指出電站運(yùn)行初期，指套管磨損較快，運(yùn)行后期，磨損程度趨于穩(wěn)定。

由于指套管運(yùn)行后具有高放射性，指套管磨損原因分析和預(yù)防措施大多數(shù)依賴在役渦流檢測數(shù)據(jù)。盡管指套管磨損治理已取得一定成果，然而多年來核電廠指套管磨損超標(biāo)事件仍頻繁發(fā)生，因此有必要對指套管磨損原因進(jìn)行深入分析，總結(jié)各種指套管磨損治理技術(shù)應(yīng)用效果，為解決指套管磨損過快的問題提供技術(shù)保障。

1 指套管結(jié)構(gòu)及磨損區(qū)域

核電廠反應(yīng)堆指套管為堆芯測量用的微型裂變室提供導(dǎo)向和通道，經(jīng)導(dǎo)向管、壓力容器中子測量管、堆內(nèi)構(gòu)件儀表管、燃料組件儀表管穿入堆芯，中子通量測量通道布置如圖1所示。堆芯中子測量系統(tǒng)設(shè)置有50個(gè)測量通道，分布在50個(gè)燃料組件中，50根指套管分布于測量通道中。指套管外徑8.6 mm、內(nèi)徑5.2 mm、壁厚1.7 mm、材料為316奧氏體不銹鋼。由于每根指套管在堆芯中所處的位置不同，因此每根指套管長度也不一致，長度為14～16 m。

圖1 中子通量測量通道布置

堆內(nèi)構(gòu)件儀表管支承組件總共有6種結(jié)構(gòu)形式，分別為I型儀表管（17根）、II型儀表管（24根）、III型儀表管（3根）、IV型儀表管（2根）、V型儀表管（2根）和O型空心儀表管（2根），堆內(nèi)構(gòu)件儀表套管支承組件具體結(jié)構(gòu)和位置分布如圖2所示。儀表套管組件與堆芯支承板的連接形式有兩種類型，分別為28個(gè)上部延長段結(jié)構(gòu)和22個(gè)M32空心六角螺栓結(jié)構(gòu)。儀表管的內(nèi)部導(dǎo)向通道變徑位置共有5處，見圖2中的P1～P5。

圖2 堆內(nèi)構(gòu)件儀表套管支承組件（R為內(nèi)部圓角）

2 指套管磨損過快原因分析

2.1 指套管磨損位置分布分析

對核電廠22臺(tái)同類型在役機(jī)組、100余次大修、3700個(gè)指套管渦流檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從指套管高度方向的磨損位置、指套管磨損坐標(biāo)分布、以及指套管所在儀表管類型開展磨損分布規(guī)律分析，分析結(jié)果如下：

（1）根據(jù)指套管高度方向磨損區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1），指套管磨損最嚴(yán)重的位于P1位置，其次位于P4位置，且P1位置的磨損次數(shù)和磨損量均為P4位置的2倍以上。

表1 指套管P1～P5位置的磨損次數(shù)和磨損量

（2）根據(jù)指套管磨損坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，指套管P1位置磨損次數(shù)最多的坐標(biāo)依次為J10、L5、N8、G14、L6、L11、J7、R8、L8、F13。指套管P4位置磨損次數(shù)最多的坐標(biāo)依次為N8、J10、N12、L6、F9、N10、G14、N5、R8、H11。指套管磨損次數(shù)分布如圖3所示，磨損次數(shù)較多的指套管集中在反應(yīng)堆堆芯0°至90°象限區(qū)域內(nèi)。

圖3 指套管磨損次數(shù)分布圖

（3）根據(jù)指套管所在儀表管類型分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，延長段型儀表管對應(yīng)的指套管P1位置磨損次數(shù)最多，II型儀表管對應(yīng)的指套管P4位置磨損次數(shù)最多。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，指套管磨損嚴(yán)重部位均位于“P1”和“P4”位置。為此，從2個(gè)位置的指套管磨損形貌、儀表管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和堆芯流場分布等方面對指套管磨損過快的原因進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2 指套管磨損形貌觀察

指套管磨損檢查采用渦流檢測方法，但由于指套管內(nèi)徑較小，目前的檢測技術(shù)只能進(jìn)行體積磨損量檢測，無法確定磨損周向分布情況。為獲取指套管磨損的實(shí)際形態(tài)，在核電廠機(jī)組大修指套管更換期間，利用水下耐輻照電鏡，對指套管磨損形貌進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果如圖4所示。指套管P1處的磨損痕跡呈現(xiàn)兩種形式，一種是楔形減薄，另外一種是環(huán)槽型減薄。目前的渦流檢測樣管接近于楔形形貌，對于環(huán)槽型減薄測量并不準(zhǔn)確。

圖4 指套管磨損位置宏觀形貌

2.3 指套管材料理化檢測

對磨損超標(biāo)更換下來的指套管開展理化檢測，分析樣品截取自于同一根放射性小的部位，并在熱室完成相關(guān)檢測工作。3個(gè)指套管分析樣品的顯微硬度基本相同，測量結(jié)果見表2，其平均硬度為HV280。對3個(gè)指套管樣品的橫截面和縱剖面樣品進(jìn)行電解蝕刻，結(jié)果表明橫截面樣品和縱剖面樣品的金相組織為奧氏體等軸晶組織，晶粒組織均勻性較好，尺寸無明顯差異，然而晶粒內(nèi)部存在較多的滑移條帶，這表明指套管加工制造過程中采用冷變形工藝，符合核電廠設(shè)備建造規(guī)范要求。指套管材質(zhì)檢測并未見明顯異常。

表2 指套管表面顯微硬度測量結(jié)果

2.4 堆內(nèi)構(gòu)件儀表管結(jié)構(gòu)影響分析

指套管外表面磨損是其與堆內(nèi)構(gòu)件儀表管發(fā)生摩擦造成的，因此構(gòu)件儀表管的制造質(zhì)量直接影響指套管的磨損速率。經(jīng)調(diào)查，構(gòu)件儀表管P1和P4處的倒圓角尺寸較?。≧＜1.5 mm）。使用內(nèi)窺鏡觀察延長段儀表管內(nèi)部制造質(zhì)量，P1和P4的倒圓角處存在明顯的制造刀痕（圖5），這將加大指套管與儀表管的接觸應(yīng)力，增大磨損速率。

圖5 儀表管內(nèi)部P1/P4點(diǎn)倒圓角處內(nèi)窺鏡觀察

十字支承柱導(dǎo)向通道對應(yīng)的指II型儀表管所在的指套管在P4位置也更易發(fā)生磨損，這是因?yàn)槎研?°至90°象限區(qū)域布置的II型儀表管較多，P4位置為儀表管入口變徑處，入口有較長的指套管暴露在流體，從而增加指套管在P4位置的接觸應(yīng)力，加劇該處磨損。

2.5 堆芯流場分析

對反應(yīng)堆進(jìn)行三維全尺寸數(shù)值計(jì)算，保持反應(yīng)堆冷卻劑總流量為3×25 300 m3/h（設(shè)計(jì)值），三環(huán)路均勻布置。反應(yīng)堆下部為球形區(qū)域，冷卻劑進(jìn)入反應(yīng)堆下部球形區(qū)域后同樣產(chǎn)生了大量的橫向渦和縱向渦，中間區(qū)域和四周區(qū)域縱向渦更為明顯，反應(yīng)堆縱向截面流場及J10指套管橫向流速如圖6所示。根據(jù)指套管磨損位置分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果，J10指套管的磨損次數(shù)最多，由于指套管部分（P1位置和P5位置）暴露在一回路冷卻劑中，會(huì)承受冷卻劑的橫向沖擊，為此提取J10指套管橫向流速，堆芯P1位置的橫向流速（1 m/s）大于P5位置的橫向流速（0.5 m/s），更易磨損。對指套管與儀表管的接觸情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流體仿真，獲取指套管表面受到的流體沖擊應(yīng)力，其中空心六角螺栓分析模型的R=1.5 mm，上部延長段分析模型的R=0.5 mm，兩者在1 m/s橫向流速作用下的沖擊應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示，上部延長段結(jié)構(gòu)儀表管的接觸壓力值（662.4 MPa）大于空心螺栓結(jié)構(gòu)的儀表管接觸壓力值（645.1 MPa），更易磨損。根據(jù)文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果，三環(huán)路流量存在偏差時(shí)，反應(yīng)堆下部構(gòu)件流場會(huì)出現(xiàn)更加明顯的不均勻性現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損異常的指套管坐標(biāo)隨機(jī)性加大。綜上，在橫向流速的作用下指套管會(huì)與儀表管發(fā)生接觸磨損，由于指套管磨損區(qū)域的橫向流速和儀表管結(jié)構(gòu)類型不同，接觸磨損速率存在不同。

圖6 反應(yīng)堆縱向截面流場及J10指套管橫向流速

圖7 指套管在橫向流速作用下P1位置沖擊應(yīng)力

2.6 指套管磨損過快機(jī)理及原因

經(jīng)調(diào)查分析，通過抽檢指套管材料的理化性能，指套管材料性能符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)指套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和堆芯流場分析結(jié)果，指套管P1和P5位置暴露在堆芯中，在堆芯冷卻劑橫向流動(dòng)力的作用下，在儀表管內(nèi)截面變徑處產(chǎn)生接觸磨損，同時(shí)P1位置指套管的長度要大于P5位置的指套管，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力會(huì)更大，增大磨損速率，疊加部分儀表管內(nèi)表面存在制造不良的現(xiàn)象，更加促進(jìn)磨損速率。這表明核電廠堆芯指套管磨損過快的原因是堆芯下部構(gòu)件儀表管在抗耐磨性方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足。而部分儀表管內(nèi)部圓角制造工藝不佳對指套管磨損過快問題有促進(jìn)作用，這也是導(dǎo)致新機(jī)組首個(gè)燃料循環(huán)后部分指套管磨損過快的主要影響因素。

3 指套管磨損過快治理技術(shù)應(yīng)用

為降低指套管外面磨損速率，結(jié)合堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已固化以及堆內(nèi)構(gòu)件已服役等現(xiàn)狀，主要從指套管移位或者更換延長使用壽命、堆芯下板增加夾持裝置、指套管材料表面硬化等改進(jìn)方面的實(shí)施效果進(jìn)行介紹和總結(jié)。

3.1 指套管磨損超標(biāo)移位或者更換技術(shù)應(yīng)用

指套管的磨損現(xiàn)象無法避免，根據(jù)大量的磨損檢測數(shù)據(jù)，隨著運(yùn)行周期的增長，指套管的表面狀態(tài)趨于穩(wěn)定或被磨平，磨損趨勢會(huì)變緩。為了增加指套管壽期內(nèi)截取次數(shù)（由原3次割管增加為5次），開發(fā)出指套管長度和徑向的磨損區(qū)域新檢測設(shè)備，提高指套管磨損缺陷測量精度。然而儀表管在長期輻照情況下,其材料的硬度明顯上升，同時(shí)儀表管圓角磨損區(qū)會(huì)留下銳角形狀，會(huì)繼續(xù)磨損已移位或者更換后的指套管，甚至加快磨損速率，大大縮短使用壽命。

3.2 堆芯下板增加夾持裝置技術(shù)應(yīng)用

為保證指套管與儀表管的對中度，減少兩者的接觸頻次，法國PALUEL核電站在指套管P1位置加裝了徑向夾持裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示，該裝置同時(shí)還可以將指套管與水流明顯隔開，降低堆芯中水流對指套管的直接沖擊。該夾持裝置長期使用后，指套管磨損速率有降低但并未徹底解決磨損過快問題。由于國內(nèi)燃料組件管座與國外結(jié)構(gòu)形式不同，不能將該裝置直接引用使用，但參考此思路日后可開發(fā)類似結(jié)構(gòu)裝置。

圖8 指套管P1位置徑向夾持裝置

3.3 指套管材料表面硬化處理技術(shù)應(yīng)用

美國H.B.Robinson核電廠將1號機(jī)組15根指套管和2號組22根指套管更換為鍍Cr指套管，增加指套管外面硬度。根據(jù)渦流檢查結(jié)果，鍍Cr指套管抗耐磨性良好。采用鍍Cr指套管可以有效減少指套管定期預(yù)防性檢測周期和更換的指套管數(shù)量，節(jié)約核電廠大修工期。

4 結(jié)束語

針對于核電廠指套管磨損過快問題，從指套管磨損位置分布規(guī)律、磨損形貌觀察、材料理化檢測、儀表管支承結(jié)構(gòu)、堆芯流場分析等方面開展深入分析，明確其磨損過快的原因是堆芯下部構(gòu)件儀表管在抗耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足?；诿鞔_的原因，結(jié)合堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已固化以及堆內(nèi)構(gòu)件已服役等現(xiàn)狀，從指套管移位或者更換延長使用壽命、堆芯下板增加夾持裝置、指套管材料表面硬化等方面介紹技術(shù)改進(jìn)的實(shí)施效果，目前表面鍍Cr可實(shí)現(xiàn)性好，為解決指套管磨損過快問題提供參考借鑒。