核電站一回路管道中腐蝕產(chǎn)物在不同過氧化氫工況下沉積特性的實驗研究

曲 冰,趙延鵬,謝文明,宋云龍,王 亮,宋國華,張國良

(遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116001)

0 引言

隨著全球能源需求顯著增加，能源短缺已經(jīng)成為本世紀亟需解決的最重要問題，有限的化石能源已經(jīng)不能滿足工業(yè)發(fā)展對能源不斷增長的需求[1-2]。然而，受地理環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求的限制，太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等可再生能源無法大規(guī)模實現(xiàn)高品位能源的轉(zhuǎn)化[3-4]。核電廠提供了全球約5.7%的能源，占全球發(fā)電量約13%，核能在解決能源需求方面具有巨大的潛力[5-6]。然而，核電站系統(tǒng)的輻射防護問題阻礙了其進一步發(fā)展[7-8]。

壓水堆核電站換料大修期間輻射劑量占其整體輻射劑量的80%-90%，世界上多個核電廠的運行經(jīng)驗表明，較差的水化學(xué)控制會造成較強的輻射[9-11]。隨著各國核工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者針對核電站輻射防護問題展開研究。Tian等人[12]在不同的壁面條件研究了各種湍流模型對管道內(nèi)顆粒沉積情況的影響，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力模型(RSM)更有利于預(yù)測顆粒沉積問題。Mcglinchey等人[13]基于無滑移壁面邊界條件，提出了常壓下流過90°彎管的粒子沉積模型。Huseyin等人[14]研究了豎直向上的90°彎管中的氣固兩相流的流動特性，并進行了實驗研究和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，平均沉積物厚度隨氣溶體質(zhì)量流量比的增加而減小。Calvar等人[15]研究了加鋅對高溫水環(huán)境中304不銹鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，加鋅明顯抑制了高溫水環(huán)境中304不銹鋼發(fā)生的均勻腐蝕，而且這種效果隨著鋅添加量的增加而更明顯。

國內(nèi)相對于國外關(guān)于核電站輻射源項沉積的研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。陳磊等人[16]使用拉格朗日粒子軌跡模型研究了硫粒子在水平管道內(nèi)的沉積問題，發(fā)現(xiàn)彎管處硫粒子的沉積速率隨著流速，粒徑和彎曲比的增加而增加。彭德全等人[17]用靜態(tài)高壓釜對304 L不銹鋼進行了1 680 h的壓水堆一回路水條件下的腐蝕實驗，結(jié)果表明304 L不銹鋼在很短的時間內(nèi)(336 h)就形成了強耐蝕性的氧化物層。汪家梅等人[18]通過對壓水堆一回路水環(huán)境的重建模擬，研究了在氯離子濃度和溶解氧條件下304不銹鋼高溫電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明隨著氯離子濃度增加，耐腐蝕性能降低，隨著溶解氧含量的升高表面氧化膜阻抗逐漸增加。為了定量描述輸油管線彎管處由于流體方向改變引起的流場特性變化和管道內(nèi)部沖蝕損傷過程，杜強等人[19]利用Fluent軟件建立了90°彎管沖蝕物理模型，獲得了彎管管壁壓力、剪切應(yīng)力以及流體流速的分布規(guī)律。

文獻調(diào)研表明，關(guān)于相應(yīng)水化學(xué)條件下的沉積問題研究較少。在實驗研究方面，多數(shù)學(xué)者直接對核電站大修期間進行參數(shù)測量或單一對材料進行相應(yīng)水化學(xué)環(huán)境的測試而得出結(jié)論，很少有人通過一回路實驗臺的仿建與實驗得出更準確的沉積規(guī)律。為解決核電站運行期間的輻射防護問題，基于壓水堆核電站的主要運行設(shè)施及其位置排布，本文自主設(shè)計并搭建了活化腐蝕產(chǎn)物(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)沉積特性測試實驗臺，使用90°水平彎管，測試不同過氧化氫含量下Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素沿周向和軸向上的沉積情況。彎管活化腐蝕產(chǎn)物沉積特性的實驗研究可以為核電站運行期間降低核電站管道中的粒子輻射強度提供指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)

基于壓水堆核電站的主要運行設(shè)施及其位置排布，本文自主設(shè)計并搭建了90°水平彎管、多角度測量、粒子濃度可控的核電站一回路沉積測試實驗系統(tǒng)。本實驗臺可測試在核電站一回路大修期間管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物濃度隨時間變化的規(guī)律、金屬元素的沉積特性、彎管的沉積熱點區(qū)域。如圖1和圖2所示，整個循環(huán)系統(tǒng)分為兩個部分，主要部分由儲液罐、溫控器、變頻電機、閘閥、取樣器、實驗彎管、電磁流量計組成，主要保證管路的勻速運轉(zhuǎn)。支管路由浮子流量計、閘閥、除鹽床、過濾器組成。除鹽床主要作用是過濾流體中陰陽粒子，過濾器的主要作用是過濾掉流體中直徑過大的金屬粒子，減少對管道的沖蝕沉積。循環(huán)管路均由PP-R管材連接。

圖1 沉積特性測試實驗系統(tǒng)示意圖1-三相電源，2-變頻器，3-電機，4-離心泵，5-閘閥，6-閘閥，7-浮子流量計，8-除鹽床，9-隔膜式壓力表，10-取樣器，11-測試彎管，12-電磁流量計，13-儲液罐，14-PID溫控儀，15-球閥，16-氮氣罐，17-注液器

圖2 沉積特性測試實驗系統(tǒng)

表1是金屬元素沉積實驗過程中所需要的主要儀器設(shè)備，表2是沉積實驗過程中所要加入的金屬粒子種類，以及實驗前處理所需藥品。金屬粒子的質(zhì)量按照總水量400 L進行計算。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

表2 主要成分用量

1.2 實驗方法

為研究和分析各金屬元素(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)在壓水堆下行實施氧化凈化操作期間不同過氧化氫濃度下在彎管中的沉積規(guī)律，本文進行了4組過氧化氫工況實驗。實驗初始階段，各工況均投入0.6 mg/kg濃度的氫氧化鋰，并加入硼酸模擬核電站實際的酸性環(huán)境，然后分別加入16 mL、20 mL、24 mL和30 mL的過氧化氫(30%濃度)來構(gòu)建四種不同工況。依照體積等比的原則，實驗下的四種過氧化氫工況可換算至M310及相似類型的壓水堆機組在氧化階段300 m3水裝量下所需的實際過氧化氫(通常使用30%濃度)，分別為12 L、15 L、18 L、22.5 L。通過對比分析得出最低沉積量的過氧化氫含量工況，從而總結(jié)出核電站運行系統(tǒng)中最優(yōu)水化學(xué)條件。

彎管測試樣片取樣位置示意圖如圖3所示。彎管軸向角位置見圖3(a)，在彎管周向角φ=0°(彎管最外側(cè))的截面上，試片序號1～4號分別與軸向角30°、45°、60°、75°的位置對應(yīng)。如圖3(b)所示，在彎管軸向角為θ=45°，2號位處的截面上，試片序號2號對應(yīng)周向角0°處，5-9號則分別與60°、120°、180°、240°、300°對應(yīng)。

1.3 實驗過程

實驗開始前先進行試片和彎管的安裝預(yù)處理。首先使用600目、1 000目的水砂紙打磨試片正面至光亮后，使用無水乙醇溶解測試管段硅膠并進行干燥，然后將干燥好的試片反面向外嵌入凹槽內(nèi)，并使用硅膠涂覆在測試管段接縫處，放在室溫下干燥24 h后，最后將測試管段用螺母安裝于管道中，并用墊片做密封。為了在實驗過程中，流體中的硼酸和單水氫氧化鋰不被除鹽床中的樹脂吸收，預(yù)處理期間對樹脂進行沖洗。

預(yù)處理完成后，開始正式實驗。首先將400 L去離子水注入儲水箱，啟動加熱器與PID溫控儀，使溫度加熱至60°，然后將硼酸和氫氧化鋰加入至儲水箱中，開動變頻器并調(diào)至相應(yīng)頻率，最終緩慢打開凈化支路閥門至支路流量為30 L/h。實驗時間為38 h，分別在第0 h、0～8 h、8～12 h、12～15 h、15～18 h、18～22 h、23 h持續(xù)注藥。實驗進行期間，同時創(chuàng)建過氧化氫工況。從儲水箱取出約1.5 L樣品溶液，并稱量20 mL的30%的H2O2溶液與相關(guān)元素粒子加入樣品溶液。在水浴鍋中加熱至80°后在第23 h時倒入儲水箱中。取樣時間分別為0 h、8 h、12 h、15 h、18 h、23 h、24 h、28 h和38 h。

圖3 彎管中(a)軸向角θ和(b)周向角φ的位置

2 結(jié)果與討論

2.1 彎管周向元素沉積特性分析

為了分析確定最佳實驗工況，本文首先對不同過氧化氫實驗工況下五種元素的沉積量在周向方向上的分布情況進行了分析。由于元素的沉積量數(shù)值較小，為了更直觀分析元素沉積量的變化，定義無量綱沉積數(shù)如下

(1)

式中Mx——某元素的無量綱沉積數(shù);

mx——某元素的實際沉積量數(shù)值;

m0——沉積量權(quán)重值，本文取1×10-10g。

無量綱值越大說明某元素的實際沉積量越大。

圖4和圖5分別是不同過氧化氫濃度下Fe元素與Cr元素的無量綱沉積數(shù)隨周向角的變化(軸向角θ=45°截面)。從圖4中可以看出Fe元素沉積量沿周向分布較為均勻，實際所需15 L過氧化氫工況下的無量綱沉積數(shù)相對較小。如圖5所示，Cr元素分布與Fe元素的元素沉積量沿周向分布相似，沉積量較為均勻，同樣在實際所需15 L過氧化氫工況下，元素沉積量相對較小。

圖4 Fe元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖5 Cr元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖6表明Mn元素與Fe、Cr元素的周向分布存在明顯差異，Mn元素的無量綱沉積數(shù)沿周向分布不均勻。不同過氧化氫濃度下Mn的最大無量綱沉積數(shù)出現(xiàn)在不同的圓周角位置。12 L和22.5 L過氧化氫條件下最大無量綱沉積數(shù)周向角分別為120°和60°，而15 L和18 L過氧化氫條件下無量綱沉積數(shù)均在240°周向角處達到最大值。雖然不同過氧化氫條件下元素的最大無量綱沉積數(shù)在不同的位置，但在15 L過氧化氫條件下，Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)總體上仍然是最小的。

圖6 Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖7表明，Co元素沿圓周方向的無量綱沉積數(shù)分布比Mn更不規(guī)則，在12 L、15 L、18 L和22.5 L過氧化氫濃度下，最大無量綱沉積數(shù)出現(xiàn)在圓周角分別為0°、240°、120°和60°。Co的整體無量綱沉積數(shù)以18 L過氧化氫的條件最小。如圖8所示，與其他四種元素的無量綱沉積數(shù)相比，Ni的無量綱沉積數(shù)在所有元素中最小，但分布最不均勻。不同工況下無量綱沉積數(shù)范圍的圓周角位置存在顯著差異。18 L的過氧化氫條件下的無量綱沉積數(shù)主要集中在圓周角0°和60°處。通過分析不同過氧化氫條件下的元素?zé)o量綱沉積數(shù)，發(fā)現(xiàn)在15 L的過氧化氫條件下元素?zé)o量綱沉積數(shù)的周向分布最小。元素在彎管周向角15°～345°的區(qū)域沉積較為嚴重。

圖7 Co元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

圖8 Ni元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨周向角的變化

2.2 彎管軸向元素沉積特性分析

圖9至圖13分別是Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素在不同過氧化氫條件下沿彎頭軸向方向的沉積分布情況(周向角φ=0°截面)。如圖9所示，不同過氧化氫條件下Fe元素的無量綱沉積數(shù)沿軸向變化不同。12 L過氧化氫下Fe元素沿軸向的無量綱沉積數(shù)先增加后減少，而在22.5 L過氧化氫條件下，沉積數(shù)的變化則相反。在15 L過氧化氫的條件下，F(xiàn)e元素的無量綱沉積數(shù)的平均值為0.652，相對較小。但22.5 L過氧化氫條件下Fe元素的無量綱沉積數(shù)具有較大值，在30°軸向角處達到2.083。圖10表明Cr元素的無量綱沉積數(shù)在12 L和22.5 L過氧化氫條件的變化趨勢與Fe元素相同。Cr元素在18 L過氧化氫條件下沉積量先增加后減少，而Fe元素的無量綱沉積數(shù)在相同條件下緩慢減少。沿軸向變化的整體分析表明，Cr元素的無量綱沉積數(shù)在15 L過氧化氫的條件下最小，而Cr元素的無量綱沉積數(shù)在12 L過氧化氫條件下最大。

圖9 Fe元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖10 Cr元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖11 Mn元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

從圖11可以看出，不同過氧化氫條件下Mn元素的無量綱沉積數(shù)的軸向變化趨勢與Cr元素一致。然而，Mn元素的無量綱沉積數(shù)明顯小于Fe元素和Cr元素?？傮w而言，在15 L過氧化氫條件下，Mn元素的無量綱沉積數(shù)相對較少。圖12表明Co元素和Fe元素之間的無量綱沉積數(shù)的變化也是相似的。元素Co和Fe的區(qū)別在于18 L過氧化氫條件下的變化是相反的。在軸向角范圍內(nèi)，15 L過氧化氫條件下的無量綱沉積量在75°軸向角處達到最小值0.037 94。圖13描述的是Ni元素沿軸向上的沉積分布規(guī)律。在圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同過氧化氫條件下Ni元素的沉積量與其他四種元素相比保持在最低水平，并且沿軸向角度波動很大，這明顯與其他元素不同。元素在彎管軸向角30°～75°的區(qū)域沉積較為嚴重。

圖12 Co元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖13 Ni元素?zé)o量綱沉積數(shù)隨軸向角的變化

圖14 不同H2O2體積下五種元素的總沉積量

2.3 彎管元素沉積量分析

本文分析了四種過氧化氫實驗條件下Fe、Cr、Mn、Co和Ni元素的的沉積量，可以直觀分析了核電站的最佳工況。圖14顯示了所有元素在不同過氧化氫濃度下的總沉積量。隨著過氧化氫濃度的增加，所有元素的總沉積量先減小后增加，說明沉積實驗中存在一個最優(yōu)的過氧化氫濃度值，可以使管道中各元素的無量綱沉積數(shù)最小。在15 L過氧化氫條件下的最小總沉積量是1.67×10-9g。15 L過氧化氫的工況對應(yīng)的最佳化學(xué)環(huán)境為20 mL H2O2和0.6 mg/kg LiOH。

由于所有元素的總沉積量不能反映單個元素的沉積情況，本文進一步分析了各元素沉積之間的差異。圖15顯示了不同過氧化氫條件下各元素的總沉積量。如圖15所示，各種元素對應(yīng)的最佳過氧化氫條件不同，但主要集中在15 L和18 L兩個工況。Fe和Co在18 L過氧化氫工況下沉積量最小，Cr、Mn和Ni三種元素在15 L過氧化氫工況下有最小沉積量。另外，F(xiàn)e和Cr元素的沉積量遠大于其他三種元素，Ni元素的沉積量在五種元素中最小。四種工況下的Ni元素沉積量最小值分別為2.04×10-10g、1.23×10-10g、1.45×10-10g和1.75×10-10g。

圖15 不同H2O2體積下單個元素的沉積量

3 結(jié)論

水化學(xué)環(huán)境是影響壓水堆核電站堆外輻射場強度的重要因素。為確定核電站實際運行過程中的最佳水化學(xué)環(huán)境，進而為核電站運行期間的輻射防護創(chuàng)造有利條件，本文基于壓水堆核電站的主要運行設(shè)施及其位置排布，搭建了一回路活化腐蝕產(chǎn)物沉積特性實驗測試臺，研究不同過氧化氫含量下主要活化腐蝕產(chǎn)物(Fe、Cr、Mn、Co和Ni)沿彎管周向和軸向上的沉積特性。主要結(jié)論如下：

(1)Fe、Cr、Mn、Co和Ni五種元素的無量綱沉積數(shù)分析表明，彎管中腐蝕產(chǎn)物在軸向角30°～75°與周向角15°～345°區(qū)域沉積較為嚴重。

(2)主要活化腐蝕產(chǎn)物的總沉積量分析表明，隨著過氧化氫濃度的增加，活化腐蝕產(chǎn)物總沉積量先減小后增加，15 L過氧化氫條件下的最小總沉積量是1.67×10-9g。

(3)采用實驗系統(tǒng)得到的最佳水化學(xué)環(huán)境是加入20 mL H2O2(30%濃度)并維持0.6 mg/kg LiOH。以典型的M310機組為例，其氧化階段一回路水裝量為300 m3，按照本文中的換算關(guān)系，實際機組最佳水化學(xué)環(huán)境為注入15L H2O2(30%濃度)并維持0.6 mg/kg LiOH，核電站在該工況下實施氧化操作，可以有效抑制Ni元素和Cr元素的沉積。