Vol.5.8.2

核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管失效類(lèi)型[1,2]

蒸汽發(fā)生器是壓水堆動(dòng)力裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，無(wú)論是用奧氏體不銹鋼，還是用Monel或Inconel 600 作管材，其破損主要是由各種形式的腐蝕造成的。腐蝕及失效形式類(lèi)型有：點(diǎn)蝕、微振腐蝕與高周疲勞、耗蝕與凹痕、應(yīng)力腐蝕（一次側(cè)應(yīng)力腐蝕（PWSCC）、二次側(cè)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕（IGA和IGSCC））。

 01

點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕主要發(fā)生在蒸汽發(fā)生器冷側(cè)管板與第1 塊支撐板間的泥渣堆中或有污垢的管段上，在該處形成局部垢下腐蝕電池。在氧化環(huán)境下或有Cu2+時(shí)，會(huì)加快點(diǎn)蝕的進(jìn)程。

 02

微振腐蝕與高周疲勞

引起微振磨損的原因是流體流過(guò)管束時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。傳熱管在防振條或支撐板的接觸處產(chǎn)生磨損，傳熱管會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的減薄現(xiàn)象。如果在U形彎頭區(qū)的防振條離支撐點(diǎn)過(guò)遠(yuǎn)或者傳熱管與防振條之間的間隙太大，都會(huì)在U形彎頭區(qū)出現(xiàn)微振磨損。

高周疲勞是由于在U形彎管區(qū)流體流動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)和含有雜質(zhì)的工質(zhì)濃縮而造成的。傳熱管高的殘余應(yīng)力、微振磨損或微裂紋、工質(zhì)雜質(zhì)的濃縮等都會(huì)降低Inconel 600 的疲勞強(qiáng)度。

 03

耗蝕（wastage）與凹痕（denting）

由于傳熱管與支撐板之間縫隙較多，可積聚二次側(cè)水中的雜質(zhì)，水平管板上也會(huì)堆積泥渣，這些縫隙和泥渣的堆積為傳熱管的腐蝕提供了環(huán)境條件。二回路系統(tǒng)和凝汽器的泄漏，會(huì)吸入空氣和污染冷卻水，也會(huì)對(duì)傳熱管產(chǎn)生腐蝕。早期壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管用Inconel 600 制造，二次側(cè)水的化學(xué)處理為磷酸鹽，結(jié)果磷酸鈉在縫隙和泥渣濃縮，造成在這些區(qū)域內(nèi)傳熱管的耗蝕（管壁減薄）。現(xiàn)在二次側(cè)水的化學(xué)處理由磷酸鹽處理改為全揮發(fā)處理（AVT），在嚴(yán)格凈化的給水中加入氨，傳熱管腐蝕（變薄）和耗蝕的發(fā)生率下降。但AVT 處理又帶來(lái)另一種腐蝕，pH 會(huì)有所下降。這時(shí)，當(dāng)氯化物進(jìn)入鍋水時(shí)，支撐板間隙中會(huì)形成NiCl2和FeCl3，加速碳鋼支撐板內(nèi)壁的腐蝕。在酸性環(huán)境里，當(dāng)Cl-含量為20μg ?kg-1、間隙為0.305 mm時(shí)，預(yù)測(cè)凹痕腐蝕開(kāi)始形成的時(shí)間為2.5a。

①法國(guó)蒸汽發(fā)生器中的凹痕腐蝕。

對(duì)于1300MW 機(jī)組蒸汽發(fā)生器上發(fā)生的傳熱管變形和破裂，法國(guó)電力公司進(jìn)行了檢查和研究。研究發(fā)現(xiàn)沉積物成分主要不是泥渣（即腐蝕產(chǎn)物），而是蒸汽發(fā)生器二次側(cè)筒體一條環(huán)焊縫在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，殘留焊條焊渣和打磨鐵屑進(jìn)入二次側(cè)，運(yùn)行前沒(méi)有除去。運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)水溫度升高，亞鐵化合物粒子被氧化，形成的磁性氧化鐵（Fe3O4）聚結(jié)和膨脹，擠壓傳熱管的脹管過(guò)渡段，發(fā)生凹痕腐蝕現(xiàn)象，因內(nèi)壁應(yīng)力過(guò)大而引起一次側(cè)晶間應(yīng)力腐蝕破裂；

②美國(guó)蒸汽發(fā)生器中的凹痕腐蝕。

1975年末，美國(guó)一些核電廠蒸汽發(fā)生器里發(fā)現(xiàn)了傳熱管凹痕腐蝕。對(duì)傳熱管作例行ET時(shí)，發(fā)現(xiàn)支撐板內(nèi)的傳熱管壁面被壓凹，渦流探頭不能通過(guò)。這種壓凹現(xiàn)象是由于碳鋼支撐板內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物堆積在傳熱管與支撐板間隙內(nèi)而造成的。如果支撐板變形嚴(yán)重，作用在傳熱管上的力不對(duì)稱(chēng)，使得傳熱管橫截面變?yōu)槟I狀。當(dāng)這些蒸汽發(fā)生器繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，可能誘發(fā)一次側(cè)或二次側(cè)晶間應(yīng)力腐蝕。在U形彎頭支撐板處還會(huì)對(duì)高周疲勞變得更為敏感。

早期設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器中，支撐板為鉆孔結(jié)構(gòu)，材料為碳鋼。傳熱管與支撐板接觸面很小，接觸面所占圓周的角度有限。在接觸面附近，由于工質(zhì)流動(dòng)受到阻礙，液體不足，導(dǎo)致傳熱惡化，在傳熱面上產(chǎn)生干濕交替或在間隙中形成汽墊，而在間隙較大的傳熱面上則產(chǎn)生正常的沸騰現(xiàn)象。間隙內(nèi)如積累腐蝕產(chǎn)物，將增大通過(guò)間隙的流動(dòng)阻力，加速間隙中流體不足現(xiàn)象，進(jìn)而加速雜質(zhì)的濃縮和沉積。

 04

一次側(cè)應(yīng)力腐蝕（PWSCC）

一次側(cè)應(yīng)力腐蝕集中發(fā)生在Inconel 600 蒸汽發(fā)生器，是一種晶間腐蝕破裂。一次側(cè)水溫是導(dǎo)致PWSCC 的一個(gè)主要因素。一般只有在熱側(cè)脹管過(guò)渡區(qū)里才發(fā)生，在脹管過(guò)渡區(qū)和凹痕區(qū)里，周向和軸向裂紋都會(huì)發(fā)生。

 05

二次側(cè)的IGA 和IGSCC

有一段時(shí)間，蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)的晶間腐蝕（IGA）和沿晶型的應(yīng)力腐蝕（IGSCC）已成為傳熱管腐蝕破損的主要機(jī)理。這類(lèi)腐蝕的發(fā)生率相當(dāng)高，并且腐蝕速率很快。IGA 是沿傳熱管表面晶粒邊界出現(xiàn)均勻或比較均勻的腐蝕，發(fā)生在蒸干區(qū)如泥渣堆和縫隙里。IGA 經(jīng)常是IGSCC的先兆，即在早期發(fā)生比較均勻的腐蝕（管壁減薄），應(yīng)力增加后IGA會(huì)加速演變?yōu)镮GSCC。IGA與IGSCC的主要區(qū)別在于應(yīng)力對(duì)IGA 的影響不顯著，在沒(méi)有拉應(yīng)力存在的情況下也會(huì)發(fā)生。而應(yīng)力對(duì)IGA 的發(fā)生和增長(zhǎng)有加速作用，IGSCC 需要3個(gè)條件： 即拉應(yīng)力，敏感的材料和腐蝕環(huán)境（高溫水并含有腐蝕性雜質(zhì)）。

IGSCC的腐蝕形態(tài)是裂紋的擴(kuò)展都是沿晶發(fā)展，大多數(shù)IGSCC的裂紋呈軸向，但在脹管過(guò)渡區(qū)和凹陷區(qū)里也觀察到周向裂紋，在較高拉應(yīng)力下SCC 發(fā)展非常迅速。我國(guó)秦山一期和秦山三期核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管材料為800合金，大亞灣核電站、嶺澳核電站和秦山二期核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管材料690合金。這些鎳基合金材料尤其是690 合金，運(yùn)行時(shí)間不夠長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)還不足；同時(shí)IGA 、IGSCC損傷的影響因素較多（包括水化學(xué)情況），所以還必須注意和加強(qiáng)對(duì)傳熱管的防護(hù)。一般對(duì)鎳基合金的IGSCC 可以得出下列幾點(diǎn)：

① Inconel 600合金傳熱管在壓水堆核電站的環(huán)境中能發(fā)生IGSCC；

② 在泥渣堆和縫隙區(qū)等具有濃縮機(jī)制的情況下，含有游離堿的高溫水能使鎳基合金傳熱管發(fā)生IGSCC；

③ 縫隙和O2對(duì)鎳基合金傳熱管在高溫水中SCC有加速作用；

④ 含有Pb和PbO的高溫水能使鎳基合金傳熱管發(fā)生應(yīng)力腐蝕，腐蝕可能是晶間型、也可能是穿晶型、或者是混合型的；

⑤ 鎳基合金在高溫水中的IGSCC，一般需要相當(dāng)于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力。

降低一次側(cè)高溫水進(jìn)口溫度并且添加硼酸，定期進(jìn)行沖洗和浸泡來(lái)消除腐蝕性雜質(zhì)有利于減輕一次側(cè)應(yīng)力腐蝕。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，熱側(cè)進(jìn)口溫度必須降到302℃以下，腐蝕速率才會(huì)有明顯的下降。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁訓(xùn)慎。核電廠蒸氣發(fā)生器凹痕腐蝕，二次側(cè)水化學(xué)處理及其清洗[J].清洗世界，2010, 26（6）：29-35

[2]沈長(zhǎng)斌，陶曉杰，楊懷玉。高溫高壓水環(huán)境下傳熱管失效形式及防腐措施研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003,15（4）： 223-227