(中國核電江蘇核電有限公司，連云港222042)

蒸汽發(fā)生器(SG)傳熱管屬于壓水堆核電站一回路的承壓邊界，同時也是阻止放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的第二道重要屏障。然而，傳熱管是一回路壓力邊界中最為薄弱的環(huán)節(jié),傳熱管泄漏事件約占放射性物質(zhì)泄漏事件的75%。且SG傳熱管的設(shè)計裕量有限，當傳熱管的堵管數(shù)到一定量時，會影響反應(yīng)堆的熱工水力性能和二回路的蒸汽品質(zhì)。因此，保障SG傳熱管的可靠運行對整個電站的安全運行是非常重要的。

截至2005年，西方設(shè)計的壓水堆(PWR)機組中，約有200個SG進行了更換(475個SG在運)。俄羅斯設(shè)計的WWER機組，104個在運蒸汽發(fā)生器(ПГВ-1000)中有40個進行了更換。運行經(jīng)驗表明，決定ПГВ-1000蒸汽發(fā)生器(簡稱ПГВ-1000)使用壽命的主要因素是傳熱管的完整性。在1999—2009年間，共有6臺ПГВ-1000因此被更換(注：其中包括南烏克蘭核電站2臺SG因化學沖洗不當加速了傳熱管腐蝕而被更換)。

為此，各國對在役SG傳熱管的腐蝕問題進行了大量的研究，并及時運用這些研究成果來提高SG的可靠運行。美國和德國通過改變二回路設(shè)計并改變其水化學工況，采用更抗腐蝕的材料(Inconel 690TT和Inconel-800NG)以及改變傳熱管的制造工藝等來增加立式SG傳熱管的抗腐蝕能力。俄羅斯則根據(jù)臥式SG自身結(jié)構(gòu)和傳熱管腐蝕特點，通過改善二回路結(jié)構(gòu)設(shè)計并優(yōu)化其水化學工況來改善傳熱管運行環(huán)境，必要時進行化學沖洗等來延長傳熱管的使用壽命。本工作主要討論俄羅斯WWER機組中臥式SG傳熱管運行期間的腐蝕機理和二回路側(cè)預(yù)防措施和緩解措施,以期為國內(nèi)WWER核電機組或其他設(shè)施的同類型設(shè)備的運行及壽命管理提供參考。

1 臥式SG的結(jié)構(gòu)及特點

俄羅斯壓水堆核電站目前運行的蒸汽發(fā)生器均為臥式蒸汽發(fā)生器，主要有ПГВ-440(WWER-440機組)(圖1)和ПГВ-1000(WWER-1000機組)(圖2)二類。其殼體和傳熱管均水平布置，傳熱管材質(zhì)均為俄羅斯08X18H10T奧氏體不銹鋼，尺寸分別為Ф16 mm×1.4 mm和Ф16 mm×1.5 mm。SG的主要特性參數(shù)見表1[1]。

圖1 ПГВ-440的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure image of ПГВ -440

圖2 ПГВ-1000的結(jié)構(gòu)圖(不含蒸汽集管)Fig.2 Structure image of ПГВ -1000 (without steam collector)

2 臥式SG傳熱管運行期間的腐蝕機理及腐蝕類型

在機組運行過程中，二回路給水管線和其他管線的腐蝕產(chǎn)物會被帶入SG，隨著SG二次側(cè)爐水不斷蒸發(fā)，爐水中各種鹽和雜質(zhì)不斷濃縮，并在傳熱管表面形成沉積物，部分以殘渣形式存在于SG底部和傳熱管支撐板處。

傳熱管上累積的沉積物會導致活性混合物(特別是氯化物)濃縮，這為腐蝕創(chuàng)造了相應(yīng)的條件。沉積物中混合物濃縮的程度，取決于沉積物厚度和孔隙度，以及傳熱管熱流密度。當混合物的濃度達到一定程度時，發(fā)生電化學腐蝕，開始形成點蝕坑，在運行應(yīng)力和水壓試驗產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，點蝕坑局部會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，進一步可能出現(xiàn)泄漏。低溫狀態(tài)下，傳熱管的點蝕形成和發(fā)展的電化學過程見圖3；運行狀態(tài)下沉積物下點蝕坑形成和發(fā)展的電化學過程見圖4。

運行經(jīng)驗表明：SG傳熱管泄漏與沉積物厚度的增加(傳熱管平均污染比的增加)之間存在明顯關(guān)聯(lián)。ПГВ-440采用“通道”式布置，流道通暢，而ПГВ-1000為了提高熱交換效率，采用棋盤式布置，相對在傳熱管支撐板的位置易出現(xiàn)沉積物。故ПГВ-1000中傳熱管會在運行期出現(xiàn)急劇變壞現(xiàn)象。而ПГВ-440中傳熱管只在其運行壽期末才可能出現(xiàn)問題。由圖5可見:當傳熱管平均污染物達到150 g/m2時，由于腐蝕而導致堵管的數(shù)量明顯增加。

早期，俄羅斯在可檢查中要求任何傳熱管段上允許的沉積物不能夠超過150 g/m2，傳熱管上沉積物主要由鐵和銅的化合物組成，考慮到結(jié)垢的危害，電站通過采用對二回路的給水設(shè)施和冷凝器等進行改造、優(yōu)化二回路水化學工況等措施，加強對沉積物的控制。為保證蒸汽發(fā)生器可靠運行，后來的WWER機組規(guī)定沉積物不得超過100 g/m2。

表1 臥式蒸汽發(fā)生器的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Designed parameters of horizontal steam generators

圖3 導致點腐坑形成和發(fā)展的電化學過程示意圖(低溫狀態(tài))Fig.3 Schematic diagram of electrochemical processe of pitting formation and development (low temperature state)

臥式SG傳熱管在運行期間出現(xiàn)的主要缺陷類型有電化學腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點腐蝕，這幾種缺陷也常交叉出現(xiàn)，常見于隔板處和有沉積物堆積的自由端。

普通電化學腐蝕的特征如下：它均勻地分布在管外在表面，腐蝕初期較淺，并不威脅管的完整性；但隨腐蝕時間的延長，它可導致管道壁厚顯著減少，見圖6。

圖4 沉積物下點蝕坑形成和發(fā)展的電化學過程示意圖(運行狀態(tài))Fig.4 Schematic diagram of electrochemical processe of pitting formation and development under sludge(during operation)

圖5 ПГВ-1000中傳熱管堵管與表面平均污染比的關(guān)系Fig.5 Relation ship between blocking tubs and surface average pollution ratio of heat transfer tube in ПГВ-1000

(a)表面

(b)截面圖6 管道經(jīng)電化學腐蝕后的表面及截面形貌Fig.6 Surface (a)and cross surface (b)morphology of pipe after electrochemical corrosion

點蝕是臥式SG傳熱管最常見的腐蝕類型，它會出現(xiàn)在傳熱管外壁，傳熱管自由跨度和隔板條下。點蝕可以孤立坑的形式出現(xiàn)，也可在坑群中出現(xiàn)，見圖 7。

(a)表面

(b)截面圖7 點蝕坑的表面及截面形貌Fig.7 Surface (a)and cross section (b)morphology of pitting

通常來說，應(yīng)力腐蝕開裂是所有腐蝕中最復(fù)雜的。應(yīng)力腐蝕裂紋具有穿晶或沿晶的形態(tài)。在多因素(如應(yīng)力水平、合金成分、微觀結(jié)構(gòu)、引發(fā)腐蝕離子濃度、表面粗糙度、微環(huán)境表面效應(yīng)、溫度、電勢能等)綜合作用下，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋會進一步生長甚至斷裂。臥式蒸汽發(fā)生器傳熱管的應(yīng)力腐蝕一般均為氯致穿晶應(yīng)力腐蝕，這類缺陷大部分出現(xiàn)于傳熱管與格架交叉部位，這與腐蝕產(chǎn)物在此處易堆積有關(guān)。如：南烏克蘭核電站一根傳熱管出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋，見圖8；俄新羅瓦利時核電站440機組在壽期末一根傳熱管出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋導致爆管，見圖9。

WWER機組中，各種腐蝕經(jīng)常混合在一起。在大多情況下，若二次側(cè)點蝕萌生，在一段時間后，點蝕坑的局部會出現(xiàn)應(yīng)力裂紋腐蝕。圖10顯示了在點蝕坑處應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生及發(fā)展。

截至2010年，俄羅斯對運行的22臺VVER-440機組和28臺機組VVER-1000中的SG堵管數(shù)量進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：ПГВ-440的傳熱管堵管數(shù)量低于10 500根，平均每臺堵管數(shù)量為70根(1.25%)；ПГВ-1000中約有10 500根傳熱管發(fā)生了堵管，平均每臺堵94根傳熱管(0.85%)。

(a)表面

(b)截面圖8 南烏克蘭核電站一根傳熱管出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋Fig.8 A heat transfer tube with stress corrosion crack in in south Vkraine NPP：(a)surface;(b)cross surface

圖9 俄新羅瓦利WWER440機組一傳熱管因應(yīng)力腐蝕裂紋導致爆管Fig.9 A bursting tube due to SCC on WWER-440 unit of Novovoron NPP

(a)萌生

(b)發(fā)展圖10 點蝕坑處應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生及發(fā)展Fig.10 Initicotion (a)and development (b)of stress corrosion cracks at pitting

3 緩解腐蝕的措施

針對WWER核電機組中傳熱管出現(xiàn)腐蝕的機理和分布特點，俄羅斯及其他國家先后采取措施減少主給水中腐蝕產(chǎn)物濃度和有害離子濃度，從而緩解ПГВ-1000中傳熱管的運行損傷。具體改進措施如下：

1)對SG給水分配系統(tǒng)和排污系統(tǒng)進行改進，避免或減少由SG內(nèi)局部蒸汽和給水流量的不平衡而導致的蒸發(fā)過度集中，在局部出現(xiàn)鹽度過高的“鹽室”。同時對易出現(xiàn)或不可避免會出現(xiàn)“鹽室”的區(qū)域進行連續(xù)排污和定期排污，控制爐水中的鹽含量(主要是氧化物和硫化學含量)。

2)對WWE-1000機組的凝結(jié)水給水系統(tǒng)材料進行升級，采用耐蝕材料。如凝汽器的傳熱管采用鈦管(最早設(shè)計為銅管)、低壓加熱器的傳熱管采用不銹鋼傳熱管。這減少了SG二次側(cè)氧化銅和Cl離子的含量；同時，冷卻水的吸入量從3.6 L/h減少到 0.04 L/h，符合SG排污水中氯離子、硫酸根和鈉含量不大于20 μg/kg的規(guī)定，在pH為9.4～9.8的聯(lián)胺-氨水工況下，鐵含量能降到1～2 μg/kg，當二回路采用無銅設(shè)計時銅含量很小，趨向于0。

3)二回路冷凝水和主給水系統(tǒng)設(shè)備、管道在設(shè)計上均采用焊接連接結(jié)構(gòu)，避免由于系統(tǒng)真空而吸入氧氣；同時通過二回路的熱力設(shè)備進行物理和熱力除氧除氣后，主給水中氧含量只有10 μg/kg，CO2也得到去除，減少了系統(tǒng)的氧化腐蝕產(chǎn)物。

4)對WWER機組二回路水化學工況不斷優(yōu)化，從早期的中性水化學工況pH=75±0.2，到弱堿性化學水工況pH=9.0±0.2，堿性化學水工況(如：氨-聯(lián)胺)pH=9.4～9.7，主給水中的鐵含量平均值從4.2 μg/L降低到2.0 μg/L。每年減少鐵的沉積物大約70 kg。采用高堿性化學水工況pH=9.7～9.95，二回路鐵含量平均值將進一步減少為1～2.0 μg/L 或更少。

5)機組啟停機時對二回路進行鈍化處理，避免或減緩了停堆期間二回路設(shè)備的腐蝕，機組停堆前24～48 h以及汽輪機沖轉(zhuǎn)24 h內(nèi)，對二回路凝結(jié)水、給水管線進行聯(lián)胺鈍化處理，以便在二回路凝結(jié)水、給水管線及其他相關(guān)熱力設(shè)備表面形成、修復(fù)、加厚保護膜。

6)機組運行期間加強對二回路和SG排污系統(tǒng)的水化學成分在線監(jiān)測和檢測，監(jiān)督二回路的水質(zhì)變化情況，并嚴格按照要求進行的連續(xù)排污和定期排污，保證二次側(cè)的鹽度不存在惡化現(xiàn)象。

7)定期進行SG二次側(cè)腐蝕狀態(tài)(包括沉積物)檢測，同時對沉積物狀態(tài)和化學成分進行分析。

8)定期對SG傳熱管進行渦流檢測，了解傳熱管減薄狀態(tài)。并對檢測結(jié)果、二次側(cè)腐蝕狀態(tài)、二回路水化學工況、排污系統(tǒng)分析結(jié)果等進行綜合分析，并制定合理的傳熱管壽命管理政策。

9)實施機械水力沖洗和化學沖洗。

4 結(jié)論

(1)WWER機組臥式SG采用奧氏體不銹鋼傳熱管、二回路的結(jié)構(gòu)和水化學工況優(yōu)化方案是可行的，可保證SG安全可靠運行；

(2)奧氏體不銹鋼傳熱管運行期間的腐蝕速率與二次側(cè)鹽度和沉積物濃縮直接相關(guān)，控制傳熱管腐蝕速率需控制主給水的鹽度和氧化物(特別是氧化鐵和氧化銅)含量；

(3)通過二回路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和水化學工況(提升主給水的pH)優(yōu)化，臥式SG二次側(cè)的沉積物形成速度明顯減低，傳熱管的腐蝕速率大大減低；

(4)各機組的二回路和SG有獨自結(jié)構(gòu)、運行工況和水化學工況，二次側(cè)沉積物的形成速率和化學成分各不相同，因根據(jù)具體情況制定合適的化學沖洗藥劑和沖洗工藝；

(5)跟蹤、分析并運用其他WWER機組和PWR機組的運行經(jīng)驗和成果，對于臥式SG傳熱管的老化管理是至關(guān)重要的。