摘要：结合田湾一期蒸发器传热管缺陷，从奥氏体不锈钢腐蚀形式出发，分析腐蚀形成原因及氯致应力腐蚀的机理，总结蒸发器保养关键事项，并在后续的蒸发器保养中得以应用。介绍调试期间蒸汽发生器冲洗和保养的良好实践以及取得的良好保养效果。
关键字：蒸汽发生器；传热管；腐蚀；保养
1蒸汽发生器的腐蚀问题与传热管的选材
蒸汽发生器是压水堆核电站的重要设备之一，国内外的运行经验表明，三分之二的蒸汽发生器存在严重的腐蚀问题，这些问题经常迫使核电站临时停堆或延长停堆维修时间。
一些国家对蒸汽发生器管材由采用奥氏体不锈钢转用高镍基合金。然而在俄罗斯在VVER压水堆上采用08X18H10T奥氏体不锈钢的传热管，在严格控制水质的情况下依然保持较低的堵管率(0.2%)。
2田湾一期蒸发器传热管缺陷和机理
2.1田湾一期蒸发器传热管缺陷
田湾核电1号机组的4台蒸汽发生器,在役前传热管涡流探伤中,发现有一批传热管有超标显示。经制造厂方切管分析研究,确认是08X18H10T奥氏体不锈钢传热管的氯致应力腐蚀裂纹。裂纹由传热管外表面向内部沿纵向延伸,穿壁厚度主要分布在40%-90%壁厚。裂纹由外壁局部点蚀坑向内壁沿纵向延伸，发展成穿晶性应力腐蚀裂纹。对裂纹深度大于壁厚30％的管子进行了堵管，共堵管707根(包括在切割过程中受损的管子)。2号机组卧式蒸汽发生器在役前传热管涡流检查中也发现了超标显示，并进行了切管分析。发现外壁穿晶性应力腐蚀裂纹，有的部位出现一些大小不等的腐蚀鼓包。鼓包呈黑褐色，表面层下的腐蚀产物为黑色粉末状，其下面形成细小的点蚀坑。
2.2田湾一期蒸发器氯致应力腐蚀的机理
2.2.1传热管发生氯致应力腐蚀的原因
发生应力腐蚀的必要条件有3个:(l)有对应力腐蚀敏感的材料;(2)存在有拉应力;(3)有导致应力腐蚀的介质和环境。奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感是事实，拉应力是无法避免的。对于田湾一期蒸汽发生器发生应力腐蚀的情况来讲,主要原因是氯离子。用作蒸汽发生器容器壁运输保护膜的保护性涂料,在60-70℃之下就由固态膜变成油状的液态,而其中含氯量达1640ppm。
2.2.2氯致应力腐蚀裂纹机制的分析
现场检查结果如下:(1)发生应力腐蚀裂纹的传热管表面和裂纹中有大量的Fe203和FeCl2;(2)在已发生应力腐蚀的裂纹中氯离子浓集;(3)应力腐蚀裂纹的扩展方向与拉应力方向垂直;(4)应力腐蚀裂纹像树根状分叉向前扩展。在不锈钢传热管表面的任何一个缺陷的尖端,特别是在裂纹的尖端,在拉应力的作用下,尖端部位的原子处于拉应力集中状态,属于弹性应变范围。处于弹性应变状态的铁原子处于高能态,呈激活状态,它倾向于要降低自己的能量。当介质中存在氯离子时,很容易发生氯离子与铁离子的结合而生成FeCl2,同时发生阳极溶解。FeCl2在水中有一定的溶解度,水中有Fe2+离子。由于水中有溶氧离子O2-,非常容易生成Fe203,而Fe203不溶于水就沉淀下来。
裂纹中的水由于O2和Cl-负离子的消耗,裂纹内呈正电性。为平衡电荷,裂纹外面水介质中的O2和Cl-负离子继续进入裂纹,形成了裂纹中浓集的Cl-,并维持反应继续进行。随着Fe2+不断地阳极溶解,裂纹尖端向前不断扩展。因此,在有充足氯离子不断扩散补充的环境下,只要存在具有拉应力集中的尖端,裂纹就会向这个方向扩展。如果严格控制整个水介质中氯离子的浓度并降低到核电厂蒸汽发生器二次侧水化学标准以下,裂纹中的氯离子补给不足,随着裂纹尖端的氯离子消耗殆尽,Fe2+的溶解停止,应力腐蚀裂纹扩展也就停止了,不会无限制地扩展下去。
3调试期间蒸发器的保养优化
总结了一期蒸发器保养的经验与教训后，3号机组蒸发器调试期间和调试前的保养过程中执行了更严格的蒸发器保养程序和标准。在蒸汽发生器的安装阶段即开始实施热干风保养直至蒸发器二次侧冲洗。蒸发器二次侧冲洗前多次进入二次侧进行清洁和异物检查。冷试后除了役检和处理缺陷期间实施热干风保养，其他时间都采用湿保养。
3.1蒸发器的冲洗
在二次侧水压试验前，我们通过蒸发器二次侧冲洗来保证其二次侧的清洁。冲洗期间用宽量程液位计监测冲洗水的液位，冲洗的过程分为三个阶段。
第一阶段采用除盐水冲洗。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆将LCU水箱中合格的除盐水由LAS泵冲至蒸汽发生器0.2~0.3m高度然后排空，反复冲洗（不少于三次）直至水质达到合格标准：透明度≥80%，氯离子浓度≤0.5mg/l。因为传热管最低处距离蒸发器底部约为0.3m，该操作的作用是将蒸发器二次侧底部的杂质先清理掉，而不会导致底部的杂质附着在传热管上。该阶段用LAR/LAS管线冲洗蒸发器二次侧，目的是同时执行该系统向开口蒸发器充注的试验以节约工期，此时二次侧人孔未密封，用于观察LAS系统向开口蒸发器充注所需的时间。
第二阶段为冲洗溶液冲洗。首先封闭二次侧人孔并检查蒸发器边界有效隔离。在除氧器中配置合格的冲洗溶液，指标见表4-2。将冲洗溶液由辅助给水泵冲至蒸发器二次侧3.7m排空，再将蒸发器充注至4m排空。在冲洗排水过程中进行不少于三次取样分析，排水取样的液位为:4.0~3.5米，2.5~2.0米，1.5~1.0米反复冲洗直至取样合格，合格的指标为透明度≥90%，氯离子浓度≤0.1mg/l。
表4-2 第二阶段冲洗溶液指标
监测项目监测单位指标
pH25рН9.5~10.0
联氨浓度mg/L20~30
氯离子浓度μg/L≤50
完成前两个阶段的冲洗后，随即进行保养液的充注，即采用湿保养的保养方式进行蒸发器的保养。湿保养的具体操作和要求见4.2.1。
3.2蒸发器的保养
考虑到蒸发器及接口设备的调试试验及现场实际情况，我们在调试阶段准备了三套蒸发器的保养方式以保证蒸发器保养工作不间断。三种方式分别为蒸汽发生器硅胶干保养、蒸汽发生器热干风保养、蒸汽发生器湿保养。保养期间优先实施湿保养，不具备湿保养条件短期内采取干保养的方式以保证保养工作不间断进行。
湿保养是在80～90℃除盐水中添加联胺并控制pH值，一是去除水的氧含量，二是去除表面锈蚀，提高保护膜的致密性。
干保养是通过对系统的隔离，减少蒸汽发生器的空气中的湿度，减小碳钢材料的腐蚀速度。按照俄罗斯USSR科学院1960年颁布的金属在大气环境中的腐蚀试验数据表明，在相对湿度达到60%的情况下，钢的腐蚀速率将逐步增大。
3.2.1蒸汽发生器湿保养：
确认蒸汽发生器已完成内表面第二阶段冲洗工作以后，在除氧器中配制保养液充注蒸汽发生器至4.0米液位；对蒸汽发生器二次侧溶液进行取样化验，要求水质满足表4-3蒸汽发生器保养水质要求。（如果热试期间湿保养时间不超过15天，联氨浓度大于500μg/L的溶液即可）。
表4-3 蒸发器保养液化学指标
监测项目联氨PH透明度CL离子
浓度限值20-100mg/L9.5-10.0不小于90%不高于0.1mg/l
在蒸汽发生器二次侧湿保养期间，每周对蒸汽发生器进行取样分析，如果不合格，立即进行排水重新充注。实际保养期间氯各项水质指标均未超过限制。
3.2.2蒸汽发生器二次侧热干风保养
确认蒸汽发生器二次侧隔离以后，在其热端和冷端两个人孔上分别安装热干风机的送风风管和吸风风管。热干风机的出风口和吸风口均安装有滤网以过滤空气中的灰尘和杂质，并且热干风机内具有监测回风温湿度的仪表。在确认并监测除湿机将蒸汽发生器内的相对湿度降至50%以下后，每日进行巡检并记录相应蒸汽发生器二次侧的温湿度。
3.2.3蒸汽发生器二次侧硅胶干保养
在蒸汽发生器二次侧放置150公斤工作硅胶、1公斤变色硅胶，放置硅胶前确认蒸汽发生器内湿度低于50%；放置的硅胶需经过150-180℃高温烘干3-4个小时，水分含量不超过2%；每个蒸汽发生器配有四个温湿度探头实时监测温湿度。如果测得的湿度值大于50％，则需要进入蒸汽发生器二次侧内部检查硅胶状态，当蒸汽发生器二次侧湿度大于55%或者变色硅胶呈粉红色时，必须更换硅胶。
3.3调试期间蒸发器保养成果
在役前检查期间我们分别对四台蒸汽发生器进行了各种手段的检查，包括涡流检查，表面渗透试验等，均未发现蒸发器传热管或者其他关键部位有腐蚀损伤。封人孔前的目视检查结果良好，没有发现锈蚀、腐蚀产物、异物等，传热管表面呈现金属光泽，且一次侧集流管，二次侧筒体，水下均汽板等部分均形成黑色、致密的钝化膜。调试阶段的蒸汽发生器保养工作取得了良好的结果。
参考文献
[1]丁训慎，核电站消除蒸汽发生器传热管应力腐蚀的方法，设备管理与维修，2017,7：27-28.
[2]周善元，关于蒸汽发生器传热管应力腐蚀的几个问题，核安全，2015,4：44-48.
[3]刘涛，核电站二回路系统水化学控制，广州：在线出版，2013：326-329.
论文作者:卞家宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/24
标签：发生器论文; 蒸发器论文; 蒸汽论文; 应力论文; 裂纹论文; 硅胶论文; 奥氏体论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;