王 柱,韓會(huì)娟,李 鵬,孫國(guó)偉

(臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司,廣東 臺(tái)山 529228)

壓水堆核電機(jī)組二回路流動(dòng)加速腐蝕的原因及處理措施

王 柱,韓會(huì)娟,李 鵬,孫國(guó)偉

(臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司,廣東 臺(tái)山 529228)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某壓水堆核電二回路流動(dòng)加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion，簡(jiǎn)稱(chēng)FAC)問(wèn)題，分析了其產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)解決措施，即在保持二回路系統(tǒng)微量溶解氧含量基礎(chǔ)上，適時(shí)將二回路堿化劑由氨改為有機(jī)胺，提高給水pH值。運(yùn)行實(shí)踐表明，采用該措施消除了設(shè)備FAC現(xiàn)象的發(fā)生。

壓水堆機(jī)組二回路;流動(dòng)加速腐蝕;高pH值的還原性全揮發(fā)處理;有機(jī)胺處理;給水微量氧

1 國(guó)內(nèi)某壓水堆機(jī)組熱力系統(tǒng)

1.1 機(jī)組二回路的結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)某壓水堆(Pressurized Water Reactor, 簡(jiǎn)稱(chēng)PWR)機(jī)組的熱力系統(tǒng)如圖1所示。二回路為圖1虛線部份，主要設(shè)備包括凝汽器、高低壓加熱器、除氧器、蒸汽發(fā)生器(Steam Generator, 簡(jiǎn)稱(chēng)SG)、汽水分離再熱器、汽輪機(jī)及連接管道等。其設(shè)備材料包括鈦合金、碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、經(jīng)熱處理的因科鎳690合金等[1]。

1.2 二回路運(yùn)行環(huán)境

該機(jī)組二回路介質(zhì)處于高溫、高壓環(huán)境,不同材料和介質(zhì)之間的交互作用會(huì)導(dǎo)致不同形態(tài)的腐蝕,特別是一二回路壓力邊界的SG傳熱管,其表面積占二回路系統(tǒng)總表面積很大比例,作為第二道安全屏障的一部分,承擔(dān)著防止放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的作用。

圖1 某PWR機(jī)組基本熱力系統(tǒng)流程圖

1.3 減緩二回路腐蝕的原理及目的

該電站二回路采用還原性全揮發(fā)處理(All Volatile Treatment (Reduction), 簡(jiǎn)稱(chēng)AVT(R)),即通過(guò)向二回路系統(tǒng)添加氨和聯(lián)氨,調(diào)節(jié)給水pH25℃值在9.5～10,聯(lián)氨含量在30～200 μg/kg以維持SG內(nèi)完全的還原性環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)如下目的:

1) 減緩二回路系統(tǒng)材料的腐蝕,包括材料的均勻腐蝕和FAC,以減少腐蝕產(chǎn)物向SG的遷移,抑制SG內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的沉積。

2) 減緩SG內(nèi)材料均勻腐蝕和局部腐蝕的發(fā)生,降低傳熱管積污及傳熱管支撐板堵塞,確保一、二回路壓力邊界完整性,改善SG運(yùn)行性能。

2 該電站二回路存在的問(wèn)題

該電站二回路化學(xué)水控制水平一直在國(guó)際同類(lèi)機(jī)組中保持領(lǐng)先地位,其1號(hào)機(jī)組某年二季度給水pH值(采用在線pH計(jì)測(cè)量)和溶氧(采用在線溶氧表測(cè)量)含量變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 1 號(hào)機(jī)組給水pH25℃變化趨勢(shì)圖

圖3 1號(hào)機(jī)組給水溶氧含量變化趨勢(shì)圖

從圖2、圖3中可以看出,指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。然而從大修檢查中發(fā)現(xiàn)了二回路設(shè)備的腐蝕跡象,如圖4所示，且給水鐵含量(采用原子吸收光譜儀測(cè)量)波動(dòng)較大,如圖5所示。另外,在每次大修時(shí),均能從汽水分離再熱器箱底及疏水箱中清掃出一些銹蝕產(chǎn)物,經(jīng)化驗(yàn)分析得知為磁性氧化鐵;在凝汽器底部也會(huì)清理出類(lèi)似的銹蝕產(chǎn)物。同時(shí),在進(jìn)行SG沖洗時(shí),沖洗出的泥渣總量逐步增加,這對(duì)SG的安全運(yùn)行構(gòu)成了實(shí)質(zhì)性威脅。

3 原因分析

通過(guò)對(duì)腐蝕形態(tài)、腐蝕產(chǎn)物成分分析、金相分析,并結(jié)合腐蝕部位的熱力情況,確認(rèn)了引起上述問(wèn)題的主要原因是FAC。

圖4 設(shè)備腐蝕情況

圖5 1號(hào)機(jī)組給水鐵含量變化趨勢(shì)圖

3.1 FAC的過(guò)程和機(jī)理

流動(dòng)加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion, FAC)是指在湍流情況、快速流動(dòng)的水或濕蒸汽作用下,碳鋼或低合金鋼表面保護(hù)性氧化膜(通常為磁性氧化鐵)不斷溶入水流或水汽混合流體中,使底層金屬不斷發(fā)生腐蝕,最終導(dǎo)致管壁不斷減薄。

FAC的發(fā)生分為4步,如圖6所示。

圖6 FAC發(fā)生示意簡(jiǎn)圖

1) 由于PWR核電站二回路系統(tǒng)采用AVT(R)處理,鐵在金屬-氧化層接觸面的游離氧水溶液中發(fā)生氧化反應(yīng),在溶液空隙中形成可溶的亞鐵離子,通過(guò)多孔的氧化層擴(kuò)散到主體溶液中,反應(yīng)產(chǎn)生的H2可通過(guò)多孔氧化層擴(kuò)散,也可進(jìn)入到金屬當(dāng)中。

Fe+2H2O→Fe2++2OH-+H2Fe2++2OH-→Fe(OH)2

2) 剩余的亞鐵離子在內(nèi)層形成磁性氧化鐵并在已有的氧化膜上發(fā)生沉積。而且在低流速下,這層氧化鐵膜具有保護(hù)性,能夠顯著降低長(zhǎng)周期的腐蝕速率(在熱傳輸?shù)那闆r下,腐蝕速率達(dá)到<1 μm/a)。

3Fe(OH)2+2OH-→Fe3O4+H2+2H2O

3) 受溶液中H2的還原作用,外層的磁性氧化鐵膜發(fā)生溶解。

式中,b=0、1、2、3,具體取值取決于亞鐵離子的水解程度。

4) 在水流的剪切力和濃度梯度的作用下,可溶的鐵從孔隙靜止溶液中向主體流動(dòng)溶液中遷移。

3.2 造成FAC的主要因素

從上述過(guò)程可看出,造成FAC的主要因素有:

1) 介質(zhì),水是除掉氧化層的必要條件,因此FAC發(fā)生在單相水流或汽水兩相流體中。

2) 流速,高流速及湍流狀態(tài)下,碳鋼的腐蝕速率明顯加速。

3) 溫度,FAC通常發(fā)生在100～250 ℃之間,對(duì)于流速恒定、pH穩(wěn)定的水流,通常在130～180 ℃之間FAC速率最大。

4) 材料成分,材料中鉻含量高于1%,FAC的影響可忽略[2]。

5) 設(shè)備幾何尺寸對(duì)FAC有影響。

另外,給水溶氧含量,給水溶氧含量超低,會(huì)造成給水pH值偏低,容易引起二回路材料的FAC加速。這種現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)火電廠曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)。

4 采取措施

4.1 材料改進(jìn)

采用高鉻含量設(shè)備替代易發(fā)生FAC的二回路設(shè)備,避免FAC的發(fā)生。

4.2 pH調(diào)節(jié)改進(jìn)

由于pH對(duì)FAC有重要影響,因此提高敏感區(qū)域,特別是汽液兩相區(qū)域的pH值調(diào)節(jié)適宜可顯著降低FAC速率[3],如圖7所示。

圖7 碳鋼FAC速率(180 ℃)與溶液pH25℃值的關(guān)系

由圖7可見(jiàn),當(dāng)pH25℃≥9.60時(shí),FAC速率大幅降低,因此,參考國(guó)內(nèi)外的良好實(shí)踐,該電站決定提高給水pH值至限值的上限區(qū)域,即將給水pH25℃值提高至9.8～10區(qū)域。經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐表明,改進(jìn)后給水鐵含量得到有效控制,基本穩(wěn)定在1μg/kg左右,如圖8所示;同時(shí),近兩次機(jī)組大修中,SG沖洗出的泥渣總量也在減少。

圖8 給水pH提高后1號(hào)給水鐵含量變化趨勢(shì)圖

由于氨的強(qiáng)揮發(fā)性,因此，液相區(qū)域pH值有時(shí)依然偏低,存在FAC的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)歐美國(guó)家二回路有機(jī)胺處理的成熟做法,該電站考慮在二回路開(kāi)展使用低揮發(fā)性的有機(jī)胺來(lái)替代氨的相關(guān)試驗(yàn),并在時(shí)機(jī)成熟時(shí)進(jìn)行堿化劑切換。

4.3 給水加氧

采用給水加氧方式來(lái)降低系統(tǒng)材料腐蝕,特別是對(duì)降低FAC的發(fā)生更有效,如國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司的超臨界機(jī)組就實(shí)施了給水加氧處理,防腐蝕效果特明顯[4]。

采用給水加氧處理的條件,包括除凝汽器外的系統(tǒng)不含銅合金部件;凝結(jié)水系統(tǒng)配置了全流量精處理系統(tǒng);給水化學(xué)品質(zhì)良好,氫電導(dǎo)率小于0.15 μS/cm等。

對(duì)于核電站而言,采用這種處理方式必須保證給水系統(tǒng)末端進(jìn)入SG前的聯(lián)氨含量,即維持給水聯(lián)氨含量與溶氧含量的質(zhì)量濃度比值R≥8,以確保SG內(nèi)完全的還原性環(huán)境。

5 結(jié) 語(yǔ)

該核電站通過(guò)提高二回路給水pH值的方式基本消除了設(shè)備FAC現(xiàn)象的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上,后續(xù)還將對(duì)有機(jī)胺在二回路的應(yīng)用、給水溶氧控制改進(jìn)方面進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn),在獲得足夠數(shù)據(jù)支撐后將適時(shí)實(shí)施,以保證機(jī)組的安全長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京:原子能出版社,2005. Guangdong Nuclear Power Training Center. 900 MW PWR nuclear power plant and equipments [M]. Beijing: Atomic Power Press, 2005.

[2] 李宇春，朱志平. 核電站水化學(xué)控制工況備[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008. LI Yuchun, ZHU Zhiping. Working conditions of hydrochemistry in nuclear power plants [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.

[3] 范曉梅，林建中，左萌. PWR二回路給水水質(zhì)控制的探討[J]. 重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2008，13(3). FAN Xiaomei, LIN Jianzhong, ZUO Meng. Dicussion of secondary side water quality control for PWR plants [J]. Journal of Chongqing Electric Power College, 2008，13(3).

[4] 顧慶華、付昱. 國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電廠超臨界機(jī)組直流鍋爐給水加氧處理實(shí)踐[J]. 熱力發(fā)電,2009，38(12). GU Qinghua, FU Yu. Practice of oxygen-adding treatment for feed-water of once-through boilers equipped for supercritical units in Guohua Taicang power plant [J]. Thermal Power Generation, 2009，38(12).

(責(zé)任編輯 郭金光)

Cause and countermeasures of flow accelerated corrosion in the PWR secondary circuit

WANG Zhu, HAN Huijuan, LI Peng, SUN Guowei

(Taishan Nuclear Power Joint Venture Company, Taishan 529228, China)

Aiming at the problem of Accelerated Corrosion Flow(FAC)in a pressurized water reactor nuclear power plant secondary circuit，the cause of its generation is analyzed，and the corresponding solving measures are put forward，which is based on the secondary circuit system’s trace dissolved oxygen content，and the secondary circuit base is changed from ammonia to organic amine，and the pH value is improved in the feed-water.Operation practice shows that the phenomenon of FAC is eliminated by using this measure.

the secondary circuit of PWR; flow accelerated corrosion,; all volatile treatment (reduction) with high pH; organic amine treatment; trace oxygen in feed-water

2015-06-26。

王 柱(1972—),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事核電廠化學(xué)與環(huán)境監(jiān)督工作。

TM623.7

A

2095-6843(2015)06-0551-03