王 浩，王 臣，高 俊，魏盛輝，朱志斌

(1.山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116；2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044)

0 前 言

蒸汽發(fā)生器(SG)是壓水堆核電站一回路壓力邊界的重要組成部分，其傳熱管面積占整個(gè)一回路承壓面積的70%以上[1]。一旦傳熱管發(fā)生破損，一回路放射性介質(zhì)會(huì)進(jìn)入二回路，機(jī)組將發(fā)生非計(jì)劃性停堆。據(jù)報(bào)道，國(guó)外壓水堆核電站的非計(jì)劃停堆次數(shù)中約25%是由于蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)故障而造成的[2]。由此可知，蒸汽發(fā)生器傳熱管的完整性對(duì)核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

SG傳熱管磨損主要包括支撐板磨損、抗振條磨損、外來(lái)異物磨損、傳熱管與傳熱管磨損4種類型。其中，外來(lái)異物是傳熱管產(chǎn)生磨損的主要原因之一。研究報(bào)道，1979年至2011年期間，美國(guó)共有42個(gè)核電機(jī)組發(fā)生了275次外來(lái)異物導(dǎo)致SG傳熱管磨損事件。其中，205次事件中傳熱管磨損量小于40%壁厚，50次事件中傳熱管磨損量為40%～99%壁厚，20次事件導(dǎo)致傳熱管發(fā)生磨損泄漏，11次導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)迫停堆。2005年，ANO 2號(hào)機(jī)組SG管板發(fā)現(xiàn)2處異物：一處異物為金屬焊絲，該異物對(duì)周圍傳熱管產(chǎn)生了10%壁厚減薄的磨損；另一處異物為帶棱角碳鋼塊，該異物對(duì)SG產(chǎn)生了2.2 L/s的傳熱管泄漏。當(dāng)次大修，電廠采用鱷魚(yú)鉗等工具將異物取出；2002年，Byron 2號(hào)機(jī)組在SG發(fā)現(xiàn)一個(gè)螺旋纏繞的金屬套，該異物對(duì)傳熱管造成了磨損，并發(fā)生了一次側(cè)向二次側(cè)泄漏。該事件在美國(guó)核管會(huì)(NRC)信息通報(bào)Information Notice 2004-10和美國(guó)核電運(yùn)營(yíng)協(xié)會(huì)(INPO)技術(shù)報(bào)告TR4-36上進(jìn)行了報(bào)道；2014年，在Robinson 2號(hào)機(jī)組SG發(fā)現(xiàn)了157個(gè)異物，這些異物均為碳鋼余料，并對(duì)傳熱管造成了磨損。當(dāng)次大修，電廠對(duì)異物進(jìn)行了抓取。經(jīng)分析，認(rèn)為這些異物是由于電廠前一次大修維修活動(dòng)異物控制不嚴(yán)造成的；2006年，WATERFORD 3號(hào)機(jī)組換料大修期間，SG管板發(fā)現(xiàn)8個(gè)異物，其中1個(gè)異物被成功取出，取出的異物為墊圈鋼帶，其余7個(gè)異物未能取出，仍殘留在SG管間，異物為墊圈鋼帶殘留物。針對(duì)未取出的7個(gè)異物，電站業(yè)主委托西屋公司開(kāi)展了分析評(píng)價(jià)工作。分析評(píng)價(jià)采用西屋WEART評(píng)估模型，并最終得到美國(guó)核管會(huì)批準(zhǔn)[3]。

2020年3月，國(guó)內(nèi)某電廠2號(hào)機(jī)組首次大修期間，在SG A管板發(fā)現(xiàn)一處異物。電廠業(yè)主采用專用異物抓取工具嘗試異物抓取3 d，無(wú)法取出。該電廠組織西屋公司開(kāi)展了異物分析評(píng)價(jià)工作。

目前，壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器二次側(cè)異物評(píng)價(jià)均采用EPRI報(bào)告“蒸汽發(fā)生器完整性評(píng)估導(dǎo)則”中的ARCHARD基礎(chǔ)磨損模型來(lái)預(yù)測(cè)異物對(duì)傳熱管的磨損速度和影響。西屋公司在ARCHARD模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化，建立了WEART評(píng)估模型。該模型已被用于分析評(píng)價(jià)傳熱管異物20余年，具有很好的使用業(yè)績(jī)，能夠有效指導(dǎo)蒸汽發(fā)生器異物分析評(píng)價(jià)工作。

本工作結(jié)合異物分析過(guò)程和相關(guān)研究資料，采用西屋公司的WEART評(píng)估模型對(duì)該電廠2號(hào)機(jī)組SG管板殘留異物進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)后續(xù)核電廠異物分析評(píng)價(jià)工作。

1 異物描述

該電廠2 號(hào)機(jī)組首次大修期間，對(duì)SG A二次側(cè)管板沖洗泥渣后視頻檢查期間，發(fā)現(xiàn)SG A冷端二次側(cè)管板存在一根金屬圓柱狀異物。異物在管板區(qū)域示意及異物照片分別如圖1和圖2所示。

異物直徑約2 mm，長(zhǎng)度190 mm，重量估算為4.6 g(按照不銹鋼密度7.8×103kg/m3計(jì)算)。異物位于SG冷側(cè)管板第122～130列，第86～96行傳熱管管間。異物一端彎曲，橫跨7排傳熱管，夾緊在傳熱管管間。

本次大修，電廠對(duì)SG A傳熱管實(shí)施了100%全長(zhǎng)度渦流檢查，未發(fā)現(xiàn)傳熱管存在異物磨損信號(hào)。與此同時(shí)，對(duì)SG A管板完成沖洗泥渣后，對(duì)管板傳熱管管間進(jìn)行了視頻檢查，也未發(fā)現(xiàn)傳熱管出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。

2 異物分析理論

2.1 異物磨損機(jī)理

異物與傳熱管產(chǎn)生磨損的機(jī)理主要包括犁溝磨損機(jī)理(Furrow Wear Mechanics)、疲勞磨損機(jī)理(Fatigue Wear Mechanics)、磨粒磨損機(jī)理(Abrasive Wear Mechanics)以及黏著磨損機(jī)理(Adhesive Wear Mechanics)[4，5]。

犁溝磨損機(jī)理：犁溝效應(yīng)是指硬質(zhì)金屬的粗糙峰嵌入軟質(zhì)金屬后，硬質(zhì)金屬在位置移動(dòng)中推擠軟質(zhì)金屬，使之發(fā)生塑性變形并犁出溝槽。犁溝理論認(rèn)為摩擦起源于表面粗糙度，滑動(dòng)摩擦中的能量損耗于粗糙峰的相互咬合、碰撞以及塑性變形。因此，表面粗糙度越小，越不容易產(chǎn)生犁溝磨損。

疲勞磨損機(jī)理：指2個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料疲勞強(qiáng)度的情況下，表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋上的材料剝落下來(lái)的磨損過(guò)程。

磨粒磨損機(jī)理：指外界硬磨?；?qū)Ρ砻嫱黄鹞镌谀Σ吝^(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象。當(dāng)兩接觸表面之間的接觸壓力不大時(shí)會(huì)發(fā)生磨粒磨損，而且磨粒磨損與表面之間的相對(duì)滑動(dòng)速度、磨粒的大小、硬度等密切相關(guān)。

黏著磨損機(jī)理：當(dāng)2種材料的表面硬度相差很小時(shí)，容易產(chǎn)生塑性變形，構(gòu)成兩者表面各自的結(jié)構(gòu)的分子級(jí)很接近且潤(rùn)滑效果較差的情況下，兩者表面的黏著磨損起主導(dǎo)作用。對(duì)于緊貼傳熱管的異物，異物與傳熱管硬度接近，黏著磨損起主要作用。

2.2 異物評(píng)估流程

圖3是核電廠蒸汽發(fā)生器管板異物對(duì)傳熱管磨損評(píng)價(jià)的管理流程。首先，應(yīng)確定蒸汽發(fā)生器的類型參數(shù)，包括蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)、管板結(jié)構(gòu)、傳熱管尺寸、傳熱管管間距、管板至第一層支撐板的距離等信息。其次，評(píng)估輸入初始參數(shù)還包括異物結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體參數(shù)。異物結(jié)構(gòu)參數(shù)包括異物位置、形狀、尺寸和材質(zhì)，流體參數(shù)包括異物所處管板位置處的流體流速、空隙分?jǐn)?shù)、流體密度等。依據(jù)異物結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體參數(shù)計(jì)算出加載在異物上的拖拽力和湍流力，然后結(jié)合異物與傳熱管的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行振動(dòng)分析。最后，使用異物磨損評(píng)估模型(ARCHARD磨損物理模型)進(jìn)行異物磨損預(yù)測(cè)。異物磨損評(píng)估還需要考慮異物與傳熱管2種材料之間的摩擦系數(shù)和異物與傳熱管接觸的預(yù)載荷等參數(shù)。該評(píng)估流程最終可計(jì)算出異物允許殘留在管板上的剩余壽命。

2.3 異物分區(qū)管理

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流體從分水環(huán)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，流體從圍筒與筒體之間進(jìn)入管板外圍，再?gòu)墓馨逋鈬蚬馨逯虚g區(qū)域流動(dòng)[6]。蒸汽發(fā)生器管板流速區(qū)域分布示意圖見(jiàn)圖4，管板上1區(qū)為異物排除區(qū)域，該區(qū)域流體速度超過(guò)4.5 m/s，在該區(qū)域內(nèi)不允許殘留外來(lái)異物，若發(fā)現(xiàn)異物，必須取出或者安裝穩(wěn)定化裝置和堵管；2區(qū)為高流速區(qū)域，該區(qū)域流體速度為3.6～4.5 m/s，在該區(qū)域內(nèi)殘留異物對(duì)傳熱管磨損的風(fēng)險(xiǎn)也很高，要求盡最大努力將異物取出；3區(qū)為過(guò)渡流區(qū)域，該區(qū)域流體速度為2.7～3.6 m/s，在該區(qū)域范圍內(nèi)殘留異物對(duì)傳熱管磨損的風(fēng)險(xiǎn)一般；4區(qū)為管板低流速區(qū)，流體速度小于2.7 m/s，異物在該區(qū)域內(nèi)殘留，對(duì)傳熱管產(chǎn)生磨損的風(fēng)險(xiǎn)較低。本工作中涉及的異物殘留在SG管板的低流速區(qū)，根據(jù)流體力學(xué)模擬計(jì)算，該區(qū)域流體速度為0.66 m/s，按照分區(qū)管理原則，異物對(duì)傳熱管危害相對(duì)較小。

3 異物磨損評(píng)價(jià)

3.1 關(guān)鍵假設(shè)

本評(píng)價(jià)假設(shè)異物由于水流作用而被壓在傳熱管上，如圖5所示，并按照如下最惡劣情況進(jìn)行假設(shè)，以獲取保守的計(jì)算結(jié)果：

(1)所有磨損假設(shè)都發(fā)生在傳熱管上，異物不發(fā)生磨損；

(2)假設(shè)異物已經(jīng)對(duì)傳熱管產(chǎn)生了磨損，磨損量達(dá)到20%壁厚；

(3)保守地認(rèn)為異物處在管板上方最大100 mm位置；

(4)管間流速假設(shè)垂直于異物，這時(shí)異物在傳熱管上的磨損力最大；

(5)選取合適的傳熱管與異物間的磨損系數(shù)；

(6)對(duì)傳熱管的頻率和振幅，采用管束中最嚴(yán)重的情況對(duì)應(yīng)的傳熱管的數(shù)據(jù)；

(8)結(jié)構(gòu)限值基于12.7 mm長(zhǎng)度磨痕。由于這一尺寸的金屬絲的垂直振動(dòng)均很小，沿著傳熱管長(zhǎng)度上的磨痕長(zhǎng)度也會(huì)很小，保守認(rèn)為12.7 mm包絡(luò)了異物引起的潛在磨損長(zhǎng)度。

上述分析均是假設(shè)該異物為夾緊類異物進(jìn)行的評(píng)估。磨損是一種長(zhǎng)期累積效應(yīng)，傳熱管若發(fā)生潛在磨損，磨損位置將在異物周圍的傳熱管上。異物后續(xù)發(fā)生移動(dòng)的可能性很低，如果異物發(fā)生移動(dòng)，異物也只可能向管板低流速區(qū)域移動(dòng)，該異物對(duì)傳熱管產(chǎn)生磨損的危害性比夾緊類異物更小。因此，本工作針對(duì)該異物的分析評(píng)價(jià)是極其保守的。

3.2 輸入?yún)?shù)

表1是異物磨損計(jì)算和碰撞分析計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)。特別說(shuō)明，本工作所涉及的SG傳熱管管板至第一層支撐板跨距508 mm。異物所處區(qū)域，二次側(cè)流體流速0.66 m/s。

表1 輸入?yún)?shù)Table 1 Input Parameter

3.3 磨損分析計(jì)算

本次異物對(duì)傳熱管的磨損評(píng)估基于國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的ARCHARD磨損物理模型，采用西屋公司的WEART評(píng)估模型計(jì)算磨損體積(VW)[4，5]：

VW=KW×FN×L

式中：VW為磨損體積，mm3；KW為異物與傳熱管摩擦系數(shù)，Pa-1；FN為異物與傳熱管的法向接觸力，N；L為異物滑動(dòng)距離，mm。

磨損體積限值(VW)：根據(jù)西屋結(jié)構(gòu)限值計(jì)算，基于12.7 mm長(zhǎng)度磨痕的結(jié)構(gòu)限值為0.46 mm(46%最小壁厚)。結(jié)合傳熱管外徑17.18 mm，壁厚1.01 mm計(jì)算磨損至結(jié)構(gòu)限值時(shí)，傳熱管磨損體積為2.086 6 d/mm3(假設(shè)初始已產(chǎn)生20%壁厚磨損減薄保守計(jì)算)。

異物與傳熱管的法向接觸力(FN)：異物與傳熱管中間接觸點(diǎn)的接觸壓力最大，異物與傳熱管接觸中間位置處的磨損最為嚴(yán)重。在計(jì)算磨損體積的過(guò)程中，保守地以中間節(jié)點(diǎn)的法向接觸力及滑動(dòng)距離的計(jì)算結(jié)果來(lái)代表異物與傳熱管磨損面的平均接觸力和滑動(dòng)距離。采用流體彈性模擬計(jì)算(CFD)的方式獲得本工作中涉及的異物由于流體作用產(chǎn)生的作用力，根據(jù)計(jì)算，異物與傳熱管之間的法向接觸力為2.12 N。

摩擦系數(shù)KW：摩擦系數(shù)反映了包含載荷N、滑動(dòng)距離L、較軟材料的表面硬度H以及所有影響因素對(duì)磨損的綜合影響。根據(jù)異物評(píng)估手冊(cè)及國(guó)內(nèi)外研究報(bào)告[7-13]，本工作涉及的異物與傳熱管材質(zhì)銦科鎳690的最小摩擦系數(shù)為3.82×10-15Pa-1；平均摩擦系數(shù)為4.73×10-15Pa-1；最大摩擦系數(shù)為5.75×10-15Pa-1。保守選取異物與傳熱管之間的摩擦系數(shù)KW為5.75×10-15Pa-1。

滑動(dòng)距離L：滑動(dòng)距離反映了異物殘留在傳熱管管間長(zhǎng)期累積的距離，滑動(dòng)距離大小與振動(dòng)頻率、振幅和時(shí)間有關(guān)，即L=d×f×t。

注重把繼承傳統(tǒng)和改革創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，把總結(jié)自身經(jīng)驗(yàn)和借鑒世界其他政黨經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)從嚴(yán)治黨的系統(tǒng)性、預(yù)見(jiàn)性、創(chuàng)造性、實(shí)效性?！叭龂?yán)三實(shí)”，既體現(xiàn)了全黨對(duì)古今中外歷史教訓(xùn)的深刻總結(jié)和反思；又體現(xiàn)了全黨解放思想、改革創(chuàng)新的胸襟與精神，對(duì)馬克思主義執(zhí)政黨建設(shè)學(xué)說(shuō)和理論作了巨大的推動(dòng)和發(fā)展。

因此，保守預(yù)測(cè)異物存在下傳熱管的剩余壽命如下：

2.086 6×10-4×d=5.75×10-15×2.12×d×155.37×t

t=110 376 000 s=3.5 a

綜上所述，保守假設(shè)本工作所涉及的異物已經(jīng)對(duì)傳熱管產(chǎn)生20%壁厚磨損減薄，根據(jù)上述模型計(jì)算，傳熱管仍能夠安全運(yùn)行至少3個(gè)有效滿功率年。

3.4 碰撞分析計(jì)算

異物可能在殘留區(qū)域范圍內(nèi)被水流激發(fā)，反復(fù)沖擊傳熱管，這也是一種典型的傳熱管損傷。當(dāng)二次側(cè)SG 水流可提供足夠的沖擊能時(shí)，松動(dòng)部件可能造成傳熱管產(chǎn)生凹痕、變形，甚至磨損。由于松動(dòng)部件處于能在局部區(qū)域反復(fù)沖擊傳熱管的方向上，因此存在由于累積撞擊造成局部傳熱管變形的風(fēng)險(xiǎn)。

為確定潛在的松動(dòng)部件沖擊風(fēng)險(xiǎn)，按照下式計(jì)算碰撞沖擊能，輸入?yún)?shù)按照表1參數(shù)：

異物質(zhì)量W=S異物×L異物×ρ異物

=3.14×0.0012×0.19×7 800 000

=4.6g

該異物質(zhì)量W為4.6 g，保守考慮間隙流速v為0.66 m/s，異物的沖擊能計(jì)算如下：

沖擊能=Wv2= 4.6×(0.66)2=2.003 76 g·m2/s2

沖擊能和其導(dǎo)致的典型傳熱管的凹痕尺寸間的保守關(guān)系如下：

凹痕尺寸= (1/7 868) ×Wv2= (1/7 868)×2.003 76= 0.000 25 mm

分析認(rèn)為，這一尺寸的凹痕僅為傳熱管壁厚的0.026%，對(duì)傳熱管無(wú)影響。沖撞中異物沖擊傳熱管的能量足夠低，在下一運(yùn)行循環(huán)預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生由于沖擊造成的傳熱管明顯變形。

4 結(jié) 論

本工作涉及的異物殘留在SG管板低流速區(qū)，區(qū)域流體速度僅為0.66 m/s。根據(jù)ARCHARD磨損物理模型進(jìn)行磨損評(píng)估分析，保守假設(shè)異物已經(jīng)對(duì)傳熱管產(chǎn)生了20%壁厚磨損減薄的情況下，傳熱管仍能夠安全運(yùn)行至少3個(gè)有效滿功率年。此外，異物質(zhì)量很輕，該異物每個(gè)循環(huán)對(duì)傳熱管碰撞形成的凹痕僅為傳熱管壁厚的0.025%。異物沖擊傳熱管的能量足夠低，在下一運(yùn)行循環(huán)預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生由于沖擊造成的傳熱管明顯變形，異物對(duì)傳熱管的碰撞影響可忽略不計(jì)。

后續(xù)機(jī)組運(yùn)行期間，電廠加強(qiáng)了對(duì)蒸汽發(fā)生器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。與此同時(shí)，后續(xù)大修期間，電廠繼續(xù)開(kāi)發(fā)專用異物抓取設(shè)備進(jìn)行異物抓取工作，爭(zhēng)取在2個(gè)換料大修期間完成異物抓取工作。此外，每次換料大修還采用渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)技術(shù)對(duì)被異物影響的傳熱管進(jìn)行跟蹤檢查，必要時(shí)開(kāi)展傳熱管穩(wěn)定化和堵管等最終處理措施。