左 軍

（大唐陳村水力發(fā)電廠，安徽 宣城 242500）

1 蒸汽發(fā)生器的作用及原理

1.1 蒸汽發(fā)生器在核動力裝置中的地位和作用

核動力裝置是以核裂變能來產生動力的裝置。蒸汽發(fā)生器(SG)是核動力裝置中一個非常重要的熱量交換設備。蒸汽發(fā)生器在核動力設備中的作用，如圖1所示。

在反應堆中，核裂變產生的熱能傳給冷卻劑(水)。高溫高壓水由主循環(huán)泵送到蒸汽發(fā)生器，在蒸汽發(fā)生器中，傳熱管內一回路冷卻劑的熱量，通過管壁傳給管外工質(水)，使之預熱、蒸發(fā)(或預熱、蒸發(fā)、過熱)而產生飽和蒸汽(或過熱蒸汽)。品質合格的蒸汽送往汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。從整個裝置的工作過程來看，蒸汽發(fā)生器既是一回路設備，又是二回路設備，是核動力裝置中一回路和二回路的樞紐。由于一回路冷卻劑流經(jīng)堆芯，冷卻劑中的雜質及腐蝕產物等被輻射會活化，加之會有燃料元件的裂變碎片進入，使得一回路冷卻劑帶有較強的放射性。因此，一回路為帶有放射性的回路。而二回路為非放射性回路。這就對蒸汽發(fā)生器的結構、強度、材料抗腐蝕性能、水質指標、密封性和清潔度等與安全可靠性有關的因素，提出了很高的要求。蒸汽發(fā)生器如果發(fā)生破損，不但造成放射性污染，而且會造成反應堆被迫停堆，影響整個核動力裝置的經(jīng)濟性和安全性。蒸汽發(fā)生器傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，傳熱管壁厚一般在1～1.5 mm，而它卻承受著一次側和二次側之間較大的溫差和很高的壓差產生的應力，又經(jīng)受著水力振動、腐蝕以及傳熱管與管板連接部位的集中應力等，因此造成蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的概率比較高。蒸汽發(fā)生器傳熱管的可靠性主要取決于傳熱管的完好性[1-2]。只要有一根蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂，就可能造成放射性物質的泄漏及反應堆停堆。因此，蒸汽發(fā)生器傳熱管的重要性不言而喻。

1.2 蒸汽發(fā)生器結構及工作原理

在蒸汽發(fā)生器中，水和汽水混合物的循環(huán)不需要外加能量，而是依靠水和汽水混合物的比重差而進行。目前核動力裝置中使用的蒸汽發(fā)生器其典型結構如圖2所示。它主要由上封頭、下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件構成。通常采用奧氏體不銹鋼、Inconel-600和Incoloy-800作為傳熱管材料。在U形管束上裝設有支撐板，對管束起支撐和防振作用。在管束周圍裝有套筒，將筒體與管束隔開構成上升和下降通道。在管束和套筒上方裝設汽水分離器，多用旋葉式分離器做粗分離器，用雙層布置帶鉤波形板分離器做細分離器。給水管裝在上筒體下部，由給水接管和環(huán)形給水分配管組成。在管板上方裝設排污管。運行中進行連續(xù)或定期排污可避免泥渣沉積和腐蝕介質在沉積物與傳熱管間的縫隙中濃縮，并防止在傳熱管上結垢，從而提高傳熱效率。

圖1 壓水堆核動力裝置原理圖Fig.1 Schematic of PWR NPP

圖2 蒸汽發(fā)生器結構簡圖Fig.2 Structure of steam generator

1.3 關注傳熱管失效的必要性

在早期的蒸汽發(fā)生器設計制造過程中，由于缺乏設計和運行規(guī)范，便假設蒸汽發(fā)生器與其他反應堆部件具有一樣的壽命。但是反應堆的運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器（特別是其中的傳熱管束）由于各種原因容易發(fā)生失效和開裂。有些原因可以歸結為制造問題，如缺少設計準則和分析手段，另外一些是由于使用環(huán)境造成的，如高溫、高壓的水流速和腐蝕元素的濃集等。蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故給核電廠造成嚴重的后果，它不僅使一次側系統(tǒng)的冷卻劑裝量減少，而且更重要的是它使二次側系統(tǒng)的壓力和水位增加，甚至滿溢，使放射性的物質排放到周圍環(huán)境中。此外，如果傳熱管破裂還伴隨著其他安全設施失效，將會造成熔堆。國際原子能機構（IAEA）的報告指出，由于蒸汽發(fā)生器破損迫使整個裝置停用，外加高額的維修費和部分蒸汽發(fā)生器的更換費用，造成巨大的經(jīng)濟損失，所以蒸汽發(fā)生器的問題是核工業(yè)的主要問題之一[3]。

蒸汽發(fā)生器的失效主要發(fā)生在傳熱管束。傳熱管是有放射性的一回路系統(tǒng)和無放射性的二回路系統(tǒng)的交界面，它承受著一次側和二次側之間較大的溫差和很高的壓差產生的應力，又經(jīng)受著水力振動、腐蝕以及傳熱管與管板連接部位的集中應力等，因此造成蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故的概率比較高。20世紀80年代中期，造成傳熱管破損的主要原因之一是二次側應力腐蝕（SCC），這種腐蝕的發(fā)生率相當高，并且其腐蝕速率很快，往往需要非計劃停堆來進行檢查和堵管，造成很大的經(jīng)濟損失。

2 影響傳熱管失效的因素

蒸汽發(fā)生器傳熱管開裂最主要的原因之一便是腐蝕開裂（SCC）。應力腐蝕開裂是受應力的材料在特定的環(huán)境下產生滯后裂紋，甚至發(fā)生滯后開裂的現(xiàn)象。當應力超過某一臨界值后，材料會在腐蝕并不嚴重的情況下發(fā)生脆性斷裂。

不銹鋼產生應力腐蝕開裂的基本條件是敏感的合金（材料因素)、特定的介質（環(huán)境因素）和拉伸應力(應力因素)。具體講，敏感的合金(材料因素)指具有一定化學成分和組織結構的不銹鋼，這種材料在一些介質中對應力腐蝕敏感，但并不是任何一種不銹鋼，任何條件下均能出現(xiàn)應力腐蝕。

特定的介質（環(huán)境因素）指對于某一敏感合金而言，只有在一些特定的敏感介質中才會產生應力腐蝕。

拉伸應力同樣是應力腐蝕的必要條件之一，如果不存在拉伸應力，即使存在特定介質也不會發(fā)生應力腐蝕。從理論上講，壓應力是不會產生應力腐蝕的。

2.1 材料因素

能夠產生應力腐蝕破壞的合金，包括鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼鎳基及鐵基耐蝕合金。Cr-Ni不銹鋼一般占不銹鋼產量的70%左右，且應用很廣泛。奧氏體不銹鋼是單相固溶體，650 ℃敏化處理后的18-8鋼由于晶界有Cr23C6沉淀，使其鄰近區(qū)域貧鉻而有晶間腐蝕敏感性。不銹鋼中含鎳量的多少對材料抗應力腐蝕能力有顯著影響[4]。當含鎳量在5%～8%時，破裂敏感性最大。隨含鎳量的提高，材料抗應力腐蝕能力不斷增加。含鎳量超過70%的因科鎳材料的抗氯離子應力腐蝕性能大大超過18-8不銹鋼。對于含有鐵素體的鉻鎳不銹鋼，當鐵素體含量在一定范圍內時，具有較好的抗應力腐蝕能力。

應力腐蝕破壞的形貌，不論是穿晶型、晶間型還是二者的混合形態(tài)，其裂紋的主要特點是：在主干裂紋延伸的同時，還有若干分支同時發(fā)展，貌似落葉后的樹枝狀，裂紋的縱深一般比寬度大若干個數(shù)量級。這也是應力腐蝕破壞的一個典型特征。不銹鋼產生脆性斷裂前不產生任何明顯的塑性變形且開裂垂直于主應力方向。脆性斷口宏觀上為結晶狀并發(fā)亮，微觀上有解理特征[5]。

2.2 環(huán)境因素

產生應力腐蝕破壞的一個主要條件是特定的腐蝕介質。為了客觀地確定產生破壞的原因，除了弄清楚敏感材料和應力腐蝕裂紋及斷口形貌特征外，還必須對引起不銹鋼應力腐蝕的介質成分和腐蝕產物結構進行分析。能夠引起奧氏體不銹鋼發(fā)生應力腐蝕破壞的常見介質有Cl-、F-、Br-等。并且介質濃度越高，奧氏體不銹鋼發(fā)生應力腐蝕的敏感性越大。

2.2.1 介質的pH值影響

當前海事測繪部門制作專題海圖主要使用CARIS HPD數(shù)據(jù)庫進行海圖數(shù)據(jù)的存儲和管理工作，使用CARIS PCE進行海圖數(shù)據(jù)的提取和海圖編繪工作，使用CorelDRAW、Illustrator等軟件進行專題海圖的整飾工作。

大多數(shù)研究表明，在高溫水中奧氏體不銹鋼在pH值為6～7時對氯離子應力腐蝕最為敏感。且隨著介質pH值的增加，18-8不銹鋼在高溫水中對氯離子應力腐蝕破裂敏感性顯著下降。這是因為在高pH值介質中，存在著大量OH-離子，它阻礙了氯離子接近金屬表面，從而抑制了應力腐蝕過程。

2.2.2 氯離子和溶解氧濃度的影響

介質中氯離子濃度和溶解氧的濃度是相互影響的一對因素。實驗表明，只要介質中氧濃度足夠低，少量氯離子的存在也不足以引起應力腐蝕。同樣，只要氯離子濃度足夠低，那么溶解氧的存在也不足以引起破裂[6]。在Cl-濃度較大的溶液中，應力腐蝕的陰極反應為氫的還原反應，因此與溶解氧的關系不大。但在含Cl-濃度較低的情況下，陽極反應為氧去極化反應，故應力腐蝕受到溶解氧的影響，并隨著氧含量的增加而加快腐蝕。

一般來說，氯離子和溶解氧濃度越大，發(fā)生應力腐蝕破裂的可能性越大。在核動力裝置中，給水在補充一回路之前是經(jīng)過處理的，其氯離子的含量值小于0.1 mg／L。二回路系統(tǒng)進入蒸汽發(fā)生器的給水絕大部分是汽輪機的凝水，汽輪機凝水中的氯離子濃度不超過0.011 mg／L。凝水與1%～2%凝水量的補水混合，作為給水進入蒸汽發(fā)生器，其氯離子濃度在2 mg／L以下。給水進入蒸汽發(fā)生器以后蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽中攜帶著給水中少量的氯離子離開蒸汽發(fā)生器，留下99.8%以上的氯離子。顯然這些剩下的氯離子便在蒸汽發(fā)生器中積累起來，致使爐水中的氯離子濃度大大高于給水。

2.3 應力因素

結構材料中應力的存在，是應力腐蝕的必要條件之一。而且，只有拉應力才可能引起破裂，當材料只受壓力時，不可能發(fā)生應力腐蝕破裂。隨著應力的增加，不銹鋼發(fā)生破裂的敏感性增大，發(fā)生破裂速度隨著增加。當應力小于某一數(shù)值時，應力腐蝕破裂不會發(fā)生，這一值稱為臨界應力。它隨介質種類、雜質濃度、溫度、pH值及不銹鋼的成分不同而變化。

2.3.1 應力來源

不銹鋼設備和構件，在使用和運行過程中，一方面要與各種腐蝕性介質相接觸，同時，又承受各種不同的應力。這些應力當中既有靜止的、交變的、內在的，也有外加的。引起不銹鋼應力腐蝕開裂的應力主要有：1）工作應力，即設備和部件在工作條件下所承受的外加載荷；2）殘余應力，是不銹鋼在生產過程和設備加工制造過程中，在材料內部產生的應力；3）熱應力，即由溫差及結構條件而引起的應力；4）結構應力，是由于設備、部件的安裝和裝配而引起的應力。以上四種應力，只要導致設備部件受拉，在腐蝕介質的共同作用下，就會導致材料的應力腐蝕。其中，工作應力、熱應力以及結構應力都是不可避免的，而殘余應力應盡量予以消除。

2.3.2 應力影響

1）破壞鈍化膜。在應力作用下，不銹鋼會產生滑移而使鈍化膜破裂并暴露出新的裸金屬。同時，應力的存在還能阻止鈍化膜的再形成。

2）加速OH-的吸附。隨著Cr-Ni奧氏體不銹鋼所受應力的增加，表面的OH-吸附量會增加。試驗證明應力增加，OH-吸附速度加快且數(shù)量增加，因而，應力腐蝕敏感性提高。

3）加速陽極溶解過程。在不銹鋼應力腐蝕裂紋尖端，若應力集中足夠大，合金可被機械拉開，或者裂紋尖端產生塑性形變，從而在沒有保護膜以及應力不斷破壞裂紋尖端鈍化膜的情況下，使不銹鋼的腐蝕溶解過程加速。

3 傳熱管失效防護措施

通過對奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕機理的分析，針對蒸汽發(fā)生器的運行特點，提出以下改進防護措施。

3.1 傳熱管材料

奧氏體不銹鋼具有良好的耐均勻腐蝕性和工藝性能，但是在使用過程中容易發(fā)生應力腐蝕、點蝕及晶間腐蝕，因此需要采取措施提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能。調整奧氏體不銹鋼的合金成分可以提高材料的耐腐蝕性能。由于應力腐蝕是從表面開始的，而且只有在拉應力的作用下才會發(fā)生，因此可以通過對管表面進行鈍化處理，以造成具有一定厚度的鈍化膜；進行電解拋光，以增加表面光潔度等方法減小應力腐蝕的可能性。

3.2 蒸汽發(fā)生器的設計與制造

蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕破裂大部分與蒸汽發(fā)生器的結構密切相關，因此要想有效地防止傳熱管破裂事故的發(fā)生，必須有合理的蒸汽發(fā)生器結構設計?？蓮囊韵聨讉€方面來提高設計的可靠性。

1）消除管子與管板接頭的開式縫隙，防止腐蝕性雜質滲入管子與管板結合區(qū)?？p隙區(qū)域由于介質流動不暢，腐蝕性雜質容易在此集聚。正常運行時少量的水可能進入管板縫隙中，由于管板溫度較高，水會汽化，當負荷變化或停閉時，縫隙區(qū)又會處于水相。這種時而水相，時而汽相的干濕交替，促使腐蝕性雜質在縫隙區(qū)管子表面濃縮，導致管子發(fā)生應力腐蝕。一般采用的方法是將管子沿管板厚度全長進行脹接。

2）消除管板滯流區(qū)和排除泥渣堆積。當循環(huán)水在管板上表面進入管束時，由于沖刷不力在管板表面會形成滯流區(qū)，使泥渣在該區(qū)堆積。泥渣疏松多孔，含有多種腐蝕雜質，加上導熱性較差，使局部熱負荷下降，埋在泥渣中的管段承受較高的熱應力。因此，大部分的應力腐蝕發(fā)生在熱負荷較高的管束熱端。因此，在蒸汽發(fā)生器結構中要裝設流量分配擋板等對排污管進行改進。

3）盡量減小管束應力。承受拉應力是傳熱管產生應力腐蝕的必要條件，因此傳熱管從制造、加工，到安裝、運行的各個環(huán)節(jié)，都應當采取措施來消除任何可能引起應力的各種因素，特別要避免應力集中。適當增加最小彎管直徑，可以減小應力集中。

3.3 二次側水質控制

防止蒸汽發(fā)生器傳熱管的應力腐蝕，運行中控制水質指標是很重要的。控制運行水質應重點控制二回路側爐水中的水質，因為爐水中雜質聚集使管壁結垢，垢下爐水的濃縮引起傳熱管的應力腐蝕。進入蒸汽發(fā)生器的雜質如氯、溶解氧、OH-等應控制在盡可能低的水平?？刂扑|的方法宜采用全揮發(fā)水處理方法。其主要特點是所添加的化學藥物在蒸汽發(fā)生器運行參數(shù)下是全揮發(fā)的，不會出現(xiàn)局部濃縮。同時應盡量防止雜質進入系統(tǒng)和盡量降低系統(tǒng)中的雜質。防止雜質進入系統(tǒng)包括嚴格控制化學添加物的質量、嚴格控制補給水的質量、防止凝汽器泄漏和減少由于凝結水除鹽裝置運行而造成的負面影響。降低系統(tǒng)中的雜質主要通過啟停堆時的化學控制和通過凝結水除鹽凈化床來完成。

3.4 定期清洗

隨著核電站運行時間的增加，清除管板上沉積的泥渣相當重要。停堆時利用泥渣槍來清除，同時要配合采用化學清洗劑來解決?；瘜W清洗劑的選用不但要考慮對沉積物和污垢有較高的溶解性，還要考慮對蒸汽發(fā)生器內部構件材料的腐蝕速率要低。

3.5 定期在役檢查

在停堆檢修期間利用無損檢測方法對蒸汽發(fā)生器傳熱管進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并采取必要的補救措施，防止核泄漏事故的發(fā)生，這樣可以避免或減少計劃外停堆。

4 結論

隨著核能在各領域的廣泛運用，核動力裝置的安全性和經(jīng)濟性得到越來越多的關注。蒸汽發(fā)生器是核動力裝置中的關鍵設備之一，它對整個核動力裝置的性能和安全可靠性有著重大的影響。實際使用情況也表明，傳熱管是整個蒸汽發(fā)生器內的“事故多發(fā)地”。

雖然近些年專家學者在蒸汽發(fā)生器的結構設計、材料性能、制造工藝、維護保養(yǎng)等方面做了大量工作，但是仍然存在不少問題，傳熱管破裂事故也時有發(fā)生。隨著一、二回路水質指標的提高和處理方法的改進，腐蝕問題將會不斷得到改進。同時開展蒸汽發(fā)生器維護和修理措施的研究也迫在眉睫。相信在不遠的將來，通過廣大研究人員的努力，核動力裝置的可靠性、安全性和經(jīng)濟性將會全面提高，核能的利用將會迎來一個輝煌的明天。

[1]龐風閣，彭敏俊.船舶核動力裝置[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000：15-22.（PANG Fengge, PENG Min-jun.Ship Nuclear Power Plant[M].Harbin: Harbin Engineering University Press, 2000: 15-22.）

[2]D.R.Diercks，W.J.Shack，J.Muscara.Overview of steam generator tube degradation and integrity issues.Nuclear Engineering and Design[J]，1999（194）：19-30.

[3]Harry Chernoff，Kenneth Chuck Wade.蒸汽發(fā)生器更換綜述[J].國外核動力，1996,（5)：8-12.（Harry Chernoff, Kenneth Chuck Wade.Replacement of Steam Generator [J].Foreign Nuclear Power, 1996, (5): 8-12.）

[4]陸世英，等著.不銹鋼[M].北京：原子能出版社，1995：161-229.（LU Shi-ying, et al.Stainless Steel [M].Beijing: Atomic Energy Press, 1995:161-229.）

[5]瓦西連科，等著.鋼的應力腐蝕開裂[M].陳石卿，等譯.北京：國防工業(yè)出版社，1983：203-229.（Vasilenko, et al.Stress Corrosion Cracking in Steel [M].Translated by CHEN Shi-qing,et.al.Beijing: National Defense Industry Press,1983: 203-229.）

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