苗麗 鐘鐵 李春亮

(三門(mén)核電有限公司 化學(xué)處，浙江 臺(tái)州 317100)

0 引言

電站運(yùn)行后，隨給水遷移至SG 的腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)，以及SG 自身產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，會(huì)在蒸汽發(fā)生器管板、傳熱管表面、支撐板縫隙等區(qū)域沉積、結(jié)垢。沉積的腐蝕產(chǎn)物會(huì)影響SG 傳熱管的傳熱效率，同時(shí)也會(huì)形成惡劣的縫隙化學(xué)環(huán)境，加劇傳熱管腐蝕，影響SG 傳熱管的完整性。因此，電站有必要監(jiān)督給水及SG 排污水中腐蝕產(chǎn)物含量，以判斷給水腐蝕產(chǎn)物向SG 的遷移量以及SG 內(nèi)水化學(xué)環(huán)境，同時(shí)也是評(píng)估SG 進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)清洗必要性依據(jù)之一。

三門(mén)核電二回路取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有兩套腐蝕產(chǎn)物取樣裝置，分別為SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置及給水腐蝕產(chǎn)物取樣裝置。兩套腐蝕產(chǎn)物取樣裝置均布置于二回路集中取樣間(遠(yuǎn)離常規(guī)島第一跨)。在1 號(hào)機(jī)組熱態(tài)試驗(yàn)期間，化學(xué)人員經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)SG 排污取樣管線和給水取樣管線過(guò)長(zhǎng)、過(guò)粗，導(dǎo)致取樣水流速低于行業(yè)導(dǎo)則要求的1.5～2.1m/s，使得SG 排污和給水腐蝕產(chǎn)物取樣缺乏代表性。最終通過(guò)變更SG 排污和主給水腐蝕產(chǎn)物取樣點(diǎn)位置、取樣管線管徑后，確保了腐蝕產(chǎn)物取樣的代表性。1 號(hào)機(jī)組首循環(huán)期間，給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置自2018 年6 月7 日開(kāi)始投運(yùn)，截止2019 年11 月13 日，累計(jì)收集75 次樣品，精確計(jì)算了SG 二次側(cè)腐蝕產(chǎn)物累積量，為優(yōu)化二回路水化學(xué)控制策略提供依據(jù)。

1 對(duì)腐蝕產(chǎn)物樣品的監(jiān)督要求

二回路中腐蝕產(chǎn)物主要以顆粒物形態(tài)存在，大部分為鐵的金屬氧化物。雖然顆粒可以均勻地分布在流體中，但會(huì)在取樣管線表面沉積并長(zhǎng)期連續(xù)釋放，從而影響取樣的代表性(1)。另外，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)給水系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物濃度一般都很低，一般需要分析累積樣品，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

EPRI 二回路水化學(xué)導(dǎo)則第7 章明確規(guī)定，為了提高獲得有代表性樣品的可能性，應(yīng)考慮：(1)取樣管線應(yīng)盡可能短和減少?gòu)濐^數(shù)量；(2)建議取樣流速為6fps(英尺/秒)，或使用1/4 英寸取樣管道。

ASTM D 6301-03(水中可濾和不可濾物質(zhì)樣品采集的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范)6.5 章明確要求：取樣管線流速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致樣品中物質(zhì)沉降或沉積，因此，取樣管線必須維持湍流且流速維持在1.5-2.1m/s。

2 原設(shè)計(jì)給水及SG排污腐蝕產(chǎn)物取樣存在的問(wèn)題

隨給水向SG 遷移的腐蝕產(chǎn)物總量主要通過(guò)腐蝕產(chǎn)物取樣裝置進(jìn)行取樣、分析、計(jì)算。在腐蝕產(chǎn)物取樣裝置過(guò)濾器上放置一張已恒重的0.45μm 濾膜，調(diào)節(jié)一定流量的主給水通過(guò)濾膜，腐蝕產(chǎn)物被濾膜截留，一定時(shí)間(通常為每周)后更換濾膜，對(duì)舊濾膜溶解后測(cè)量Fe 含量，表征腐蝕產(chǎn)物總量。具體流程如圖1 所示。

圖1 腐蝕產(chǎn)物取樣流程示意圖

3.1 取樣流速不滿足行業(yè)導(dǎo)則要求

二回路取樣系統(tǒng)原設(shè)計(jì)中SG 排污取樣管線設(shè)計(jì)為DN25(Φ32×3)，材質(zhì)為S30403，管道長(zhǎng)度約170m，；主給水取樣管線設(shè)計(jì)為DN10(Φ16×3)，材質(zhì)為S30403，管道長(zhǎng)度約150m。1 號(hào)機(jī)組熱態(tài)補(bǔ)充試驗(yàn)期間，化學(xué)人員通過(guò)讀取分析儀表入口流量計(jì)讀數(shù)、估算就地取樣流量結(jié)合管道長(zhǎng)度，計(jì)算得出SG 排污和給水樣品流速分別為0.034m/s、0.12m/s，取樣延時(shí)分別為84 分鐘和12 分鐘，具體計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，和EPRI 導(dǎo)則及行業(yè)導(dǎo)則對(duì)腐蝕產(chǎn)物測(cè)量的流速要求相差甚遠(yuǎn)，影響取樣代表性，進(jìn)而影響對(duì)SG 和給水管道腐蝕狀態(tài)的判斷。

表1 SG排污及給水取樣流速信息表

3.2 腐蝕產(chǎn)物取樣裝置密封性差

三門(mén)核電二回路原設(shè)計(jì)給水及SG 腐蝕產(chǎn)物取樣裝置位于二回路集中取樣間，型號(hào)為Millipore 廠家管線內(nèi)換膜過(guò)濾器，材料為聚丙烯，尼龍手輪旋鈕，具體如圖2 所示。該裝置要求使用的濾膜為密理博 HAWPO4700(0.45um)，流體最高溫不能超過(guò)55℃，建議在50℃下使用。濾膜的推薦過(guò)流量為60ml/min·cm2，實(shí)驗(yàn)室實(shí)際使用過(guò)程中控制流量不超過(guò)200ml/min。該腐蝕產(chǎn)物取樣裝置實(shí)際使用過(guò)程中多次發(fā)生聚丙烯過(guò)濾器變形、密封性變差導(dǎo)致裝置漏水情況，影響對(duì)流經(jīng)腐蝕產(chǎn)物取樣裝置累計(jì)流量的統(tǒng)計(jì)，影響SG 二次側(cè)腐蝕產(chǎn)物累積量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4 給水及SG排污腐蝕產(chǎn)物取樣優(yōu)化方案

在發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)給水及SG 排污取樣管線過(guò)長(zhǎng)、過(guò)粗，導(dǎo)致取樣水流速過(guò)低、取樣延遲時(shí)間長(zhǎng)，影響對(duì)給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響對(duì)給水及SG 管道腐蝕狀態(tài)的判斷問(wèn)題后，化學(xué)人員在2017 年對(duì)給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣提出變更需求，最終對(duì)原設(shè)計(jì)給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣方式進(jìn)行了如下優(yōu)化：

(1)新增一套給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置，原裝置棄用。新裝置就地布置，布置在汽輪機(jī)廠房0.00m 層，給水取樣高溫高壓架一側(cè)(臨近第一跨)。新裝置為成套設(shè)備，冷卻水通過(guò)的管道、冷卻器、閥門(mén)、測(cè)量池、管接頭及其它部件均為不銹鋼S30403 材質(zhì)，保證了腐蝕產(chǎn)物取樣裝置的可靠性。新裝置如圖3 所示。

圖2 給水及SG腐蝕產(chǎn)物取樣裝置示圖

(2)將SG 排污取樣管線管徑由DN25(Φ32×3)改為DN8((Φ12×2)，并引一路取樣管DN6(Φ10×2)至就地SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置。

(3)將高加出口總管取樣管在止回閥之后的管徑，由DN10(Φ16×3)改為DN6 (Φ10×2)，并引一路取樣管線至就地給水腐蝕產(chǎn)物取樣裝置。

圖3 優(yōu)化后給水及排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置圖

變更完成后，經(jīng)化學(xué)人員就地取樣驗(yàn)證，取樣流速約2m/s,保證了腐蝕產(chǎn)物取樣的代表性。。

5 給水及SG腐蝕產(chǎn)物取樣裝置應(yīng)用

5.1 隨給水遷入SG的腐蝕產(chǎn)物統(tǒng)計(jì)

三門(mén)核電1 號(hào)機(jī)組運(yùn)行期間，腐蝕產(chǎn)物總量計(jì)算以機(jī)組燃料循環(huán)周期進(jìn)行，除氧器開(kāi)始向SG 供水后投運(yùn)給水腐蝕產(chǎn)物取樣裝置，開(kāi)始收集給水腐蝕產(chǎn)物，SG 建立連續(xù)排污后投運(yùn)SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣 裝置，開(kāi)始收集SG 排污腐蝕產(chǎn)物，在開(kāi)始停堆大修，主給水、排污樣品斷流后結(jié)束，期間以周為單位(7天)收集給水、SG 排污中的腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)EPRI 二回路水化學(xué)導(dǎo)則的建議以及參考美國(guó)同行電站的經(jīng)驗(yàn)，腐蝕產(chǎn)物總量計(jì)算時(shí)以鐵含量的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

式中：F給水為單臺(tái)SG 周累積給水流量，t；CFe-給水為當(dāng)周給水Fe 含量(腐蝕產(chǎn)物收集裝置的測(cè)量結(jié)果)，μg/L；CFe-排污為當(dāng)周排污Fe 含量(腐蝕產(chǎn)物收集裝置的測(cè)量結(jié)果)，μg/L；F排污為單臺(tái)SG 周累積排污流量，t；m為某一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)單臺(tái)SG 內(nèi)累積的腐蝕產(chǎn)物量，g；m給水為某一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)給水遷移至單臺(tái)SG 二次側(cè)腐蝕產(chǎn)物周累積量，g；m排污為某一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)單臺(tái)SG 排污腐蝕產(chǎn)物周累積量，g。

1 號(hào)機(jī)組首循環(huán)期間，給水及SG 排污腐蝕產(chǎn)物取樣裝置自2018 年6 月7 日開(kāi)始投運(yùn)，截止2019 年11 月13 日，累計(jì)收集75 次樣品，根據(jù)公式(1)、(2)、(3)使用膜溶解后的鐵含量進(jìn)行計(jì)算，鐵遷移至SG 累積的量為459.8 公斤。

5.2 101大修SG管板沖洗泥渣量統(tǒng)計(jì)

三門(mén)核電101 大修期間對(duì)1 號(hào)機(jī)組兩臺(tái)SG 進(jìn)行了150bar手孔直槍沖洗以及手孔斜槍沖洗，兩臺(tái)SG 二次側(cè)管板共沖出濕泥渣30.074kg，濾芯烘干后，干泥渣總重為6.495kg。其中SG A 沖出濕泥渣重14.095kg，干泥渣重2.521kg；SG B 沖出濕泥渣重15.979kg，干泥渣重3.974kg。

5.3 首循環(huán)SG內(nèi)部沉積腐蝕產(chǎn)物評(píng)估

根據(jù)隨給水遷入SG 的腐蝕產(chǎn)物統(tǒng)計(jì)量和SG 管板沖洗泥渣量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，1 號(hào)機(jī)組首循環(huán)SG 內(nèi)部沉積的腐蝕產(chǎn)物的量為453.3kg(采用鐵含量進(jìn)行計(jì)算)。

三門(mén)核電二回路目前采用聯(lián)氨-氨全揮發(fā)控制模式，第一燃料循環(huán)受制于凝結(jié)水精處理系統(tǒng)(CPS)未完全退出影響，給水pH 值控制在9.5 左右，由于氨的汽液分配比不均衡，導(dǎo)致疏水系統(tǒng)pH 值僅為9.0 左右，給水及疏水鐵含量變化趨勢(shì)如圖4所示。從碳鋼材料腐蝕速率隨pH 值變化曲線可以看出pH 值對(duì)碳鋼的腐蝕速率影響很大，疏水系統(tǒng)pH 值過(guò)低，增加了系統(tǒng)管道設(shè)備的流動(dòng)加速腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢(shì)

從圖4 可以看出，第一燃料循環(huán)，給水鐵含量維持在5ppb左右， MS 疏水Fe 含量維持在20-30ppb，為給水腐蝕產(chǎn)物的主要來(lái)源。

根據(jù)SG 的結(jié)構(gòu)判斷，腐蝕產(chǎn)物可能沉積的區(qū)域包括泥渣收集器、支撐板、管熱管和管板區(qū)域。其中由于SG 傳熱管面積大，絕大多數(shù)腐蝕產(chǎn)物沉積在SG 傳熱管表面。

AP1000 單臺(tái)SG 中包含100025 根傳熱管，傳熱面積11477平方米，傳熱管壁厚為1.04mm。按照之前的計(jì)算，首循環(huán)單個(gè)SG 中沉積的腐蝕產(chǎn)物226kg，假定這些腐蝕產(chǎn)物全部均勻沉積在傳熱管表面，將導(dǎo)致傳熱管增厚2.5um，從當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)看沒(méi)有對(duì)傳熱效率造成影響。B&W 推薦當(dāng)SG 中沉積物量達(dá)到10-14 克/每平方英尺之間時(shí)，需對(duì)SG 傳熱管表面執(zhí)行化學(xué)清洗。按照我廠的傳熱管面積估算，總累計(jì)量約為3000kg 時(shí)，才需要進(jìn)行化學(xué)清洗，目前不需要對(duì)SG 進(jìn)行化學(xué)清洗。

6 二回路水化學(xué)控制策略優(yōu)化方向

核電廠投入運(yùn)行后，二回路系統(tǒng)設(shè)備材料已經(jīng)確定，無(wú)法通過(guò)大規(guī)模材料優(yōu)化來(lái)降低設(shè)備腐蝕，減少向SG 內(nèi)遷移沉積。所以對(duì)于運(yùn)行的核電站二回路的腐蝕控制只能通過(guò)化學(xué)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，這主要包括兩個(gè)方面，一是優(yōu)化當(dāng)前二回路熱力系統(tǒng)化學(xué)控制模式，盡可能地降低二回路系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕，最大限度地降低腐蝕產(chǎn)物向SG 遷移；二是通過(guò)添加分散劑和化學(xué)清洗等手段，將沉積在SG 內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物除去。

6.1 二回路采用替代胺pH控制模式

三門(mén)核電目前正在開(kāi)展二回路替代胺可行性研究，開(kāi)展聯(lián)氨-氨-乙醇胺(ETA)控制模式優(yōu)化工作。ETA 由于其較低的汽液分配比(2)，若其替代氨作為二回路系統(tǒng)堿化劑，可以實(shí)現(xiàn)二回路各子系統(tǒng)的pH 值均勻分布，提高疏水系統(tǒng)pH 值，減緩二回路系統(tǒng)汽水界面區(qū)域發(fā)生FAC，減少腐蝕產(chǎn)物向蒸汽發(fā)生器的遷移，達(dá)到降低蒸汽發(fā)生器內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物沉積目的。

6.2 向SG中添加分散劑

分散劑聚丙烯酸(PAA)是帶有負(fù)電荷的合成聚合物或天然有機(jī)物，可以吸附在腐蝕產(chǎn)物的顆粒表面及已經(jīng)形成的垢層表面上，使它們帶有相同的電荷而產(chǎn)生斥力，從而抑制沉積物的形成過(guò)程，增強(qiáng)腐蝕產(chǎn)物顆粒在水中懸浮能力，從而通過(guò)排污除去，從而達(dá)到減少沉積量。根據(jù)國(guó)際上使用分散劑的核電站經(jīng)驗(yàn)，添加分散劑具有：降低SG 積污率、提高SG 熱效率、減少機(jī)組啟動(dòng)時(shí)鐵的遷移、提高SG 水力沖洗效果等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)外添加分散劑的方式主要有機(jī)組大修停運(yùn)前及SG 濕保養(yǎng)添加、機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程二回路大循環(huán)時(shí)添加以及機(jī)組正常運(yùn)行期間連續(xù)添加三種方式(3)。

根據(jù)國(guó)外核電站應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合三門(mén)核電首循環(huán)SG 內(nèi)沉積腐蝕產(chǎn)物總量及101 大修水力沖洗沖出腐蝕產(chǎn)物總量，建議三門(mén)核電選擇在機(jī)組大修停運(yùn)期間及SG 濕保養(yǎng)添加分散劑的應(yīng)用方式。該方式有助于增加停運(yùn)期間SG 內(nèi)沉積的腐蝕產(chǎn)物排出，同時(shí)為SG 水力沖洗SG 內(nèi)沉積的硬垢去除創(chuàng)造條件。三門(mén)核電后續(xù)還需開(kāi)展材料的兼容性試驗(yàn)和評(píng)估及PAA 濃度分析方法建立。

7 結(jié)語(yǔ)

三門(mén)核電通過(guò)變更對(duì)SG 排污和主給水腐蝕產(chǎn)物取樣進(jìn)行優(yōu)化，確保了腐蝕產(chǎn)物取樣的代表性，并在機(jī)組首循環(huán)期間進(jìn)行了成功應(yīng)用，通過(guò)統(tǒng)計(jì)1 號(hào)機(jī)組首循環(huán)內(nèi)隨給水引入和隨排污帶出SG 的腐蝕產(chǎn)物的量，并結(jié)合101 大修期間水力沖洗去除的腐蝕產(chǎn)物的量，計(jì)算出殘留在SG 中的腐蝕產(chǎn)物的量，據(jù)此評(píng)估明確了后續(xù)二回路水化學(xué)控制策略優(yōu)化方向。