彭思桐,孫 玉,楊興旺,高 晨,盛朝陽(yáng)

(1.江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042；2.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

田灣核電站1，2號(hào)機(jī)組為VVER-1000型壓水堆型，采用了俄羅斯水壓設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的ПГВ-1000M型臥式蒸汽發(fā)生器，由俄羅斯工廠生產(chǎn)，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱SG)有10 978根傳熱管，傳熱管材料為08X18H10T的奧氏體不銹鋼，規(guī)格為?16 mm×1.5 mm，蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ПГВ-1000M型臥式蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

在工程建設(shè)階段，1號(hào)機(jī)組2,3,4號(hào)SG由于運(yùn)輸、保養(yǎng)等原因，在役前檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)部分傳熱管存在氯致應(yīng)力腐蝕，并開啟了不符合項(xiàng)進(jìn)行堵管處理。2007年機(jī)組商運(yùn)后，為了有效監(jiān)督傳熱管的金屬狀態(tài)、確保壓力邊界的完整性，經(jīng)核安全審評(píng)后，確定了1號(hào)機(jī)組每次換料大修期間對(duì)2,3,4號(hào)SG抽檢約60%(約6 000根以上)傳熱管(包含所有缺陷管)的檢查方案。

在機(jī)組運(yùn)行過程中，通過對(duì)一、二回路的水質(zhì)嚴(yán)格的運(yùn)行控制，將應(yīng)力腐蝕敏感元素氯離子控制至較低的水平，可以有效防止傳熱管應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。歷次大修過程中2，3，4號(hào)SG的傳熱管渦流檢查結(jié)果表明，運(yùn)行后傳熱管未產(chǎn)生新的缺陷、原有的微小缺陷也未見明顯的擴(kuò)展，說明傳熱管金屬狀態(tài)已基本穩(wěn)定。按照當(dāng)前的檢查方案，在1號(hào)機(jī)組每次大修期間，SG傳熱管的總檢查數(shù)量達(dá)到18 000 根以上，檢查量是在役檢查大綱要求(每次大修檢查1臺(tái)SG，共1 792根)的10倍。

圖2 役前檢查發(fā)現(xiàn)的傳熱管應(yīng)力腐蝕裂紋

鑒于2，3，4號(hào)SG自2007年投運(yùn)至今的運(yùn)行實(shí)踐，傳熱管金屬狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，有必要在確保核安全且滿足規(guī)范大綱的前提下，對(duì)SG傳熱管檢查方案進(jìn)行優(yōu)化。本文對(duì)這3臺(tái)SG傳熱管在役檢查優(yōu)化的可行性進(jìn)行研究，提出優(yōu)化的檢查方案，現(xiàn)場(chǎng)大修證實(shí)優(yōu)化后的檢查方案取得了良好的效果。

1 傳熱管降質(zhì)機(jī)理分析

壓水堆SG傳熱管有幾種不同的降質(zhì)機(jī)理，主要為一次側(cè)應(yīng)力腐蝕、二次側(cè)應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、微振磨損、凹陷等[1]。對(duì)VVER機(jī)組臥式蒸汽發(fā)生器的奧氏體不銹鋼傳熱管而言，因應(yīng)力腐蝕裂紋有高擴(kuò)展率，是常見的最危險(xiǎn)的腐蝕類型之一。另外，與二次側(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋出現(xiàn)的相同部位還會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，雖然其擴(kuò)展率比應(yīng)力腐蝕慢，但點(diǎn)蝕一般都與微小腐蝕裂紋共存，且點(diǎn)蝕坑往往是應(yīng)力腐蝕的裂紋源，因此也是傳熱管降質(zhì)關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

傳熱管結(jié)垢的過程是二回路中的腐蝕產(chǎn)物、不溶雜質(zhì)沉積、蒸干濃縮的過程。二回路水質(zhì)中總會(huì)含有少量的懸浮的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物(氧化鐵和氧化銅)在二回路參數(shù)溶解度很低，加之SG下部流速也很低，很難隨排污水排掉，結(jié)垢過程便會(huì)在傳熱管全表面范圍內(nèi)發(fā)生[3]。當(dāng)二回路中銅含量較高時(shí)，銅會(huì)沉積在碳鋼管道內(nèi)表面上，具備電化學(xué)腐蝕的條件，加速碳鋼管道的腐蝕，從而增加傳熱管表面的結(jié)垢[4]。

運(yùn)行過程中，在多孔沉積物內(nèi)發(fā)生著強(qiáng)烈的“蒸濃”和腐蝕性元素的濃集過程，當(dāng)氯離子濃度偏高時(shí)，會(huì)在傳熱管金屬表面起保護(hù)作用的氧化膜附近的沉積物夾縫內(nèi)聚集，由于水解作用，局部會(huì)形成酸性環(huán)境，導(dǎo)致氧化膜的破裂，暴露在腐蝕環(huán)境中的金屬成為陽(yáng)極，產(chǎn)生了腐蝕坑，如圖3[2]所示。蝕坑的尖端位置處，當(dāng)其尖端應(yīng)力水平值高于應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的門檻值時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋會(huì)在此處萌生，腐蝕過程也將進(jìn)一步加劇[5-6]。

因此，從傳熱管的降質(zhì)機(jī)理上可以看出，對(duì)傳熱管降質(zhì)產(chǎn)生影響最大的雜質(zhì)分為兩類：一類是腐蝕活化劑，它們是Cl-，F(xiàn)-和SO42-；另一類是氧化劑，它們是O，Cu和腐蝕產(chǎn)物中的高價(jià)鐵。而在實(shí)際運(yùn)行中，Cl-，Cu和O對(duì)SG傳熱管的腐蝕影響最大。

圖3 點(diǎn)蝕的產(chǎn)生機(jī)理示意

2 蒸汽發(fā)生器運(yùn)行狀態(tài)

2.1 水化學(xué)環(huán)境

為了避免傳熱管腐蝕降質(zhì)情況的產(chǎn)生，田灣核電站二回路水化學(xué)條件采用聯(lián)胺-氨水全流量?jī)艋に嚕⒎€(wěn)定保持給水pH值為9.4～9.6，凝汽器使用鈦合金管，二回路換熱器和管線使用不含銅材質(zhì)。采用聯(lián)胺-氨水化學(xué)工況，目的是通過加NH3提高二回路工作介質(zhì)的pH值，以緩解碳鋼材料的腐蝕，防止SG內(nèi)產(chǎn)生鐵垢和銅垢的沉積。而二回路含銅材質(zhì)的控制可以進(jìn)一步降低二回路水中的Cu含量，從而減少SG傳熱管表面沉積物的產(chǎn)生[7]。

自商運(yùn)以來(lái)，田灣核電站二回路水化學(xué)WANO指標(biāo)一直保持在1.000的世界先進(jìn)水平，每個(gè)燃料周期間的數(shù)值總體趨勢(shì)無(wú)明顯變化，水質(zhì)控制良好。鑒于二回路中的Cl-,Cu和O對(duì)SG傳熱管的腐蝕降質(zhì)影響最大，為更好地判斷SG傳熱管運(yùn)行期間的水化學(xué)環(huán)境，取1號(hào)機(jī)組SG二次側(cè)排污水中Cl-取樣結(jié)果以及二回路給水中的Cu和溶解O取樣結(jié)果進(jìn)行分析，具體參數(shù)見表1。

表1 二回路水化學(xué)參數(shù)

從表1可以看出，田灣核電站1號(hào)機(jī)組的二回路水質(zhì)情況良好，對(duì)于SG傳熱管影響較大的Cl-,Cu和溶解O的控制均達(dá)到了較為理想的水平，再加上較高的給水pH值，可以有效減少SG傳熱管腐蝕產(chǎn)物的沉積結(jié)垢，從源頭上避免了新缺陷的產(chǎn)生和已有缺陷的擴(kuò)展。

2.2 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)腐蝕狀態(tài)

為跟蹤SG二次側(cè)傳熱管表面沉積物狀態(tài)，1號(hào)機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái)，每次大修至少對(duì)1臺(tái)SG二次側(cè)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢查，累計(jì)進(jìn)行了17臺(tái)次，如發(fā)現(xiàn)沉積物異常情況，則對(duì)沉積物進(jìn)行取樣檢查。

圖4 SG傳熱管外表面形態(tài)

歷次檢查表明：(1)SG二次側(cè)腐蝕狀態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)，得益于二回路良好的水化學(xué)控制，傳熱管表面狀態(tài)良好，覆蓋有均勻致密氧化膜，傳熱管表面未見結(jié)垢龜裂，沉積物較少且質(zhì)地松散，如圖4所示；(2)傳熱管取樣過程中能刮取到的沉積物較少，歷次大修沉積物取樣情況如圖5所示，最近一次取樣在T110大修期間，單位面積沉積物為0.7 g/m2，歷次取樣單位面積沉積物最大為2007年測(cè)得的7.609 g/m2。歷次取樣結(jié)果均遠(yuǎn)低于運(yùn)行手冊(cè)規(guī)定的化學(xué)沖洗標(biāo)準(zhǔn)100 g/m2。

圖5 歷次大修傳熱管取樣沉積物量統(tǒng)計(jì)

同時(shí)，為了評(píng)估機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中，SG二次側(cè)沉積物狹縫內(nèi)陰陽(yáng)離子的局部聚集情況，田灣核電站在T104,T105和T210大修降功率及冷停堆階段，通過二回路溫度、流量和各類離子濃度變化的特征，分別對(duì)1,2號(hào)機(jī)組SG進(jìn)行了雜質(zhì)隱藏返回計(jì)算。從圖6的計(jì)算結(jié)果可見，在SG二次側(cè)沒有出現(xiàn)侵蝕性陰、陽(yáng)離子的雜質(zhì)隱藏，目前的雜質(zhì)隱藏未對(duì)二次側(cè)的化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生明顯的不利影響，當(dāng)前SG狀態(tài)較好[8-9]。

(a)陽(yáng)離子隱藏返回量

3 傳熱管渦流檢查情況和結(jié)果

3.1 蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查情況

根據(jù)田灣核電站在役檢查大綱的要求，對(duì)于SG傳熱管實(shí)施外圍兩圈的固定范圍內(nèi)，共有1 792根傳熱管實(shí)施渦流檢查。但由于1號(hào)機(jī)組2,3,4號(hào)SG役前檢查期間的傳熱管不符合項(xiàng)，后續(xù)換料大修中對(duì)這3臺(tái)SG的傳熱管進(jìn)行了連續(xù)的跟蹤和擴(kuò)大檢查，每臺(tái)SG檢查范圍為包括所有缺陷管在內(nèi)的共計(jì)6 000根左右傳熱管。目前已對(duì)1號(hào)機(jī)組2,3,4號(hào)SG缺陷管完成了12次跟蹤檢查，對(duì)其他傳熱管至少完成了7次全面檢查。歷次檢查結(jié)果表明，運(yùn)行以后未發(fā)現(xiàn)新增缺陷，極少數(shù)缺陷超過堵管準(zhǔn)則的傳熱管進(jìn)行了機(jī)械堵管。

3.2 傳熱管缺陷擴(kuò)展速率分析

田灣核電站對(duì)役前檢查期間發(fā)現(xiàn)的典型缺陷進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，同時(shí)每次大修均對(duì)歷史缺陷使用INETEC公司的旋轉(zhuǎn)探頭進(jìn)行了定性檢驗(yàn)，檢查結(jié)果表明，2,3,4號(hào)SG傳熱管現(xiàn)有缺陷均為二次側(cè)應(yīng)力腐蝕缺陷。鑒于傳熱管缺陷類型相同，為了進(jìn)一步探究SG傳熱管的缺陷狀態(tài)，分析現(xiàn)有缺陷的擴(kuò)展情況和發(fā)展趨勢(shì)，文中基于這3臺(tái)SG現(xiàn)有缺陷的檢查結(jié)果，遵照EPRI《蒸汽發(fā)生器完整性評(píng)估導(dǎo)則》第5章“降質(zhì)增長(zhǎng)率計(jì)算”中的實(shí)際估計(jì)法，對(duì)T106-T111近6次大修傳熱管檢查結(jié)果的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用算術(shù)統(tǒng)計(jì)和概率統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)缺陷的擴(kuò)展速率進(jìn)行了計(jì)算[10]。

由于渦流檢查系統(tǒng)會(huì)因檢查人員、檢查設(shè)備等造成一定的系統(tǒng)誤差[2]，對(duì)缺陷檢查數(shù)據(jù)造成一定影響。渦流檢查系統(tǒng)一般是通過多次測(cè)量多個(gè)已知深度的人工缺陷或傳熱管上已知類型(如應(yīng)力腐蝕裂紋)的缺陷，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到檢查系統(tǒng)的誤差。圖7示出田灣核電站使用的INETEC公司檢查系統(tǒng)測(cè)量誤差曲線，可以看出缺陷的幅值越大，測(cè)量的誤差越小，但幅值達(dá)到一定程度，誤差將趨向一定值。從圖中可以得到田灣SG傳熱管檢查系統(tǒng)的測(cè)量誤差約為±20%。

圖7 渦流檢查系統(tǒng)測(cè)量誤差曲線

因此，在計(jì)算過程中，前提假設(shè)渦流檢查系統(tǒng)誤差服從正態(tài)分布。數(shù)據(jù)處理上，首先將同一缺陷相鄰大修的檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩比較，得到缺陷擴(kuò)展數(shù)據(jù)集，在篩除缺陷擴(kuò)展數(shù)據(jù)集中的極端值后進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)和差異顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)集符合EPRI導(dǎo)則中對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)量、分布、方差水平等分析要求。最后再進(jìn)行計(jì)算，得到這3臺(tái)SG的缺陷擴(kuò)展速率均值、95%置信區(qū)間和中位數(shù)等計(jì)算結(jié)果，如表2所示。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可從總體上描述傳熱管缺陷擴(kuò)展趨勢(shì)及特點(diǎn)。

表2 缺陷擴(kuò)展速率

從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，3臺(tái)SG的總體數(shù)據(jù)量更大，取其均值(0.11%/年)可以從宏觀上對(duì)SG整體缺陷擴(kuò)展的趨勢(shì)進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)，更能夠體現(xiàn)傳熱管缺陷的整體狀態(tài)。從3臺(tái)SG數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)均值來(lái)看，其統(tǒng)計(jì)擴(kuò)展量均值僅為0.11%/年，遠(yuǎn)低于渦流檢查系統(tǒng)和其他因素帶來(lái)的檢測(cè)誤差，從工程上可理解為SG帶缺陷傳熱管狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，缺陷擴(kuò)展極為緩慢或者不擴(kuò)展[11-13]。同時(shí)也證明，1號(hào)機(jī)組2，3，4號(hào)SG良好的水化學(xué)條件和運(yùn)行工況，對(duì)抑制已有缺陷的擴(kuò)展、保持傳熱管良好的金屬狀態(tài)發(fā)揮了積極的作用。

4 優(yōu)化的檢查方案和實(shí)施效果

4.1 優(yōu)化方案的依據(jù)

田灣核電站1號(hào)機(jī)組是依據(jù)俄羅斯法規(guī)設(shè)計(jì)的，傳熱管檢查范圍必須滿足俄羅斯規(guī)范要求。俄羅斯核動(dòng)力規(guī)范ПНАЭ Г-7-008-89《核動(dòng)力裝置的設(shè)施和設(shè)備及管道的安全運(yùn)行規(guī)程》以及2015年升版后的НП-089-15《核動(dòng)力裝置的設(shè)備和管道及安全運(yùn)行規(guī)定》中，均未規(guī)定SG傳熱管的檢驗(yàn)范圍和缺陷傳熱管的跟蹤檢查。2010年升版后的АТПЭ-9-09《WWER-1000反應(yīng)堆核電站運(yùn)行時(shí)設(shè)備和管道母材和焊接接頭狀況在役檢查標(biāo)準(zhǔn)大綱》中對(duì)SG的檢驗(yàn)要求為：“按蒸汽發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果和過去進(jìn)行的檢查結(jié)果，根據(jù)管子金屬的實(shí)際狀況，確定熱交換管檢查周期、檢查范圍和檢查區(qū)”?？梢?，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)大綱對(duì)于傳熱管檢驗(yàn)要求主要取決于設(shè)計(jì)院的初始要求以及傳熱管金屬的實(shí)際狀況，并非是固定不變，而是根據(jù)傳熱管狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)地調(diào)整。

HAD103/07“核電廠在役檢查”的第3.6條“重復(fù)檢驗(yàn)”對(duì)超標(biāo)缺陷的跟蹤檢查提出了明確要求，即“一旦所要求的重復(fù)檢驗(yàn)表明在隨后的三個(gè)檢查中缺陷基本上保持不變，則該部件的檢驗(yàn)進(jìn)度可恢復(fù)到最初的檢查要求”。HAD103原則上規(guī)定了出現(xiàn)過超標(biāo)缺陷的部件，可根據(jù)后續(xù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)檢驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整。

4.2 優(yōu)化的檢查方案

除符合上述法規(guī)和導(dǎo)則的要求外，田灣1號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器傳熱管并沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕的環(huán)境條件，傳熱管未發(fā)現(xiàn)新增缺陷，現(xiàn)有的缺陷顯示其發(fā)展已趨于穩(wěn)定，因此，對(duì)傳熱管檢查范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化是可行的。為此，考慮對(duì)已有缺陷的傳熱管進(jìn)行持續(xù)跟蹤，對(duì)無(wú)缺陷傳熱管的檢查數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。1號(hào)機(jī)組2，3，4號(hào)SG傳熱管優(yōu)化后的檢查方案為：每次大修檢查1臺(tái)蒸汽發(fā)生器60%的傳熱管(約6000根，包含所有缺陷管)和其余兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的所有缺陷管。優(yōu)化后每6次燃料循環(huán)完成2號(hào)，3號(hào)和4號(hào)共3臺(tái)SG無(wú)缺陷傳熱管的全面檢查，且每次均對(duì)所有已有缺陷管進(jìn)行跟蹤檢查，在考慮了一定保守度的情況下，每次大修傳熱管檢查工作量降低了60%以上，優(yōu)化后的檢查方案已獲得國(guó)家核安全監(jiān)管部門的審查批準(zhǔn)，并納入在役檢查大綱進(jìn)行管理。截至目前，田灣核電站已按照優(yōu)化后的檢查方案實(shí)施了T112和T113大修蒸發(fā)器傳熱管的檢查，大修結(jié)果證實(shí)沒有出現(xiàn)新的缺陷，優(yōu)化后的檢查方案取得了良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

不論從蒸發(fā)器傳熱管的運(yùn)行狀態(tài)，還是從法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說，以電站自身運(yùn)行數(shù)據(jù)制定新的檢查范圍更為合理。田灣核電站1號(hào)機(jī)組2，3，4號(hào)SG傳熱管的記錄缺陷已進(jìn)入穩(wěn)定期，其余傳熱管金屬狀態(tài)良好，同時(shí)良好的二回路水化學(xué)控制也為抑制新缺陷產(chǎn)生和已有缺陷的擴(kuò)展提供了有利條件，對(duì)2，3，4號(hào)SG的在役檢查進(jìn)行優(yōu)化是可行的，為此調(diào)整并制定了優(yōu)化的檢查方案，優(yōu)化后的檢查方案在現(xiàn)場(chǎng)大修實(shí)施后，證明有良好的效果。