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核電副總工告訴你
本文作者張興田副總工
核電廠是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)
核電廠生產(chǎn)運(yùn)行工程經(jīng)驗(yàn)表明
國(guó)外核電廠曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多起重要設(shè)備材料腐蝕損傷事件。如2000年瑞典Ringhals PWR核電廠4號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器(RPV)接管安全端Incone1 182合金發(fā)生枝晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)
本工作以采用法國(guó)RCC系列規(guī)范設(shè)計(jì)和建造的秦山第二核電廠(即秦山二期)4臺(tái)PWR650MWe核電機(jī)組30多個(gè)堆年重要設(shè)備材料典型腐蝕損傷事件為例
1
、核電廠設(shè)備材料防腐蝕設(shè)計(jì)簡(jiǎn)況?核電廠設(shè)備材料防腐蝕設(shè)計(jì)是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程,以環(huán)境介質(zhì)為線索
,可方便地了解核電廠防腐蝕設(shè)計(jì)的基本情況、核心內(nèi)容及特殊問(wèn)題。核電廠材料腐蝕的環(huán)境介質(zhì)主要有反應(yīng)堆冷卻劑
、蒸汽、汽水兩相流、除鹽水、消防和生活飲用水、海水、大氣和氫氣。核電廠設(shè)備材料可分為核材料和結(jié)構(gòu)材料
,材料的性能可分為輻照、力學(xué)和腐蝕性能。核電廠設(shè)備材料需根據(jù)使用要求合理選材。反應(yīng)堆冷卻劑一回路和二回路材料的主要降質(zhì)模式見(jiàn)圖1。表1為秦山二期某PWR核電機(jī)組環(huán)境介質(zhì)及其控制以及材料選材情況
圖1 一回路和二回路材料的主要降質(zhì)模式
表1秦山二期某PWR核電機(jī)組環(huán)境介質(zhì)及其控制以及材料選材情況
2
2.1 換料水池鋼覆面氯離子穿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
反應(yīng)堆換料水池鋼覆面由304L不銹鋼焊接而成,厚度3 rnrn
在秦山二期1號(hào)機(jī)組109換料大修期間換料水池充水后發(fā)現(xiàn)鋼覆面的引漏管有水
對(duì)切割取樣的J型槽鋼覆面進(jìn)行理化分析
,結(jié)果表明,附著物主要為硅酸鹽,含有氯元素;接觸混凝土側(cè)的殘余應(yīng)力為5.4~6.1 MPa的拉應(yīng)力;裂紋穿晶擴(kuò)展,采用金相顯微鏡可觀察到樹(shù)枝狀裂紋,見(jiàn)圖2。裂紋斷口上覆蓋大量泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物中氯含量高,斷口上可見(jiàn)大量河流花樣和魚(yú)骨狀花樣,表現(xiàn)為脆性解理斷裂特征,裂紋尖端存在氯元素,斷口氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.32%?div id="4qifd00" class="flower right">圖2 裂紋的顯微形貌
與換料水池鋼覆面接觸的混凝土添加劑由氯一偏共聚乳液(氯以有機(jī)物形式存在)替代丙烯酸樹(shù)脂含水乳化液或苯乙烯含水乳化液
。參考具有相同官能團(tuán)(一CH2一CH—Cl)的聚氯乙烯在高能射線輻照下的降解過(guò)程及機(jī)理,在中子射線及γ射線輻照下,氯一偏共聚乳液會(huì)產(chǎn)生HCl,HCl遇水電解形成Cl一促使不銹鋼覆面發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。在施工中沒(méi)有按照技術(shù)要求涂防塵防護(hù)油漆,使防水層沙漿中分解出的氯直接與不銹鋼覆面接觸,加速了鋼覆面的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂進(jìn)程。2.2插塞焊縫晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
2012年秦山二期1號(hào)機(jī)組110換料大修期間對(duì)插塞焊縫(焊縫編號(hào)M13)實(shí)施滲透檢測(cè),在插塞孔周邊管道母材上檢出5處線性顯示
。M13屬核1級(jí),工藝管道材質(zhì)Z2CNDl8—12(控氮)、尺寸323.9 mm X 28.58 mm,插塞孔尺寸M27 mm X1.5mm?div id="4qifd00" class="flower right">插塞孔內(nèi)螺紋和插塞外螺紋基本被磨平
,表明存在過(guò)盈配合。斷口存在大量分布不均勻的腐蝕產(chǎn)物。管材截面裂紋起源于插塞孔附近,沿晶擴(kuò)展插塞截面裂紋擴(kuò)展方式與管材相同。插塞孔模擬加工及硬度測(cè)試結(jié)果表明插塞孔處管材和插塞局部發(fā)生了應(yīng)變硬化。插塞孔應(yīng)力分布及大小計(jì)算結(jié)果顯示
,在插塞和插塞孔過(guò)盈配合情況下進(jìn)行焊接,插塞孔近外表面處應(yīng)力最高。圖3 管材截面裂紋尖端顯微形貌
根據(jù)以上結(jié)果
,判定插塞孔處管材和插塞裂紋處存在較大的應(yīng)變硬化,導(dǎo)致晶間應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展。根據(jù)國(guó)內(nèi)外核電廠多起失效案例
,非敏化不銹鋼晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂部件的共同點(diǎn)是部件整體或局部發(fā)生了應(yīng)變硬化。在管材及插塞基材顯微組織中未觀察到滑移帶,表明材料的真應(yīng)變小于12%,即插塞和管材的局部應(yīng)變引起的加工硬化機(jī)制為位錯(cuò)強(qiáng)化。PWR核電廠一回路水中氧和參與化學(xué)反應(yīng)的合金元素快速反應(yīng),生成的氧化物由于體積膨脹和對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙使得晶界處應(yīng)力進(jìn)一步集中,最后導(dǎo)致晶界強(qiáng)度降低,裂紋以沿晶擴(kuò)展的方式發(fā)展。2.3熱交換器鈦板海水液固兩相流沖刷腐蝕
秦山二期核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后
,常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)(SRI系統(tǒng),除鹽水)與設(shè)備輔助冷卻水系統(tǒng)(SEN系統(tǒng),海水)的板式熱交換器(SRI/SEN板式熱交換器)頻繁發(fā)生因鈦板穿孔和鈦板橡膠密封墊失效引起的海水泄漏故障,鈦板的海水進(jìn)口區(qū)和導(dǎo)流區(qū)局部減薄。對(duì)設(shè)備失效的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:鐵板失效的直接原因是海水液固兩相流沖刷腐蝕(腐蝕性磨損);根本原因是針對(duì)秦山二期SEN系統(tǒng)的特定海水水質(zhì),板間流速設(shè)計(jì)值過(guò)高,在鈦板海水進(jìn)口區(qū)和分流區(qū)范圍的海水流速位于沖刷腐蝕門(mén)坎速率下限附近,海水懸浮物和泥沙沉積形成的局部堵塞使局部流速進(jìn)一步增大,在流速高于門(mén)坎速率的局部區(qū)域,沖刷腐蝕導(dǎo)致鈦板減薄直至穿孔。2.4主給水管道流動(dòng)加速腐蝕(FAC)
2012年,機(jī)組109大修期間對(duì)二回路部分管線進(jìn)行了管壁超聲波測(cè)厚
,發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主給水泵系統(tǒng)(APA)前置泵后的第一個(gè)彎頭和兩臺(tái)主給水流量調(diào)節(jié)閥后的直管段發(fā)生了壁厚減薄超標(biāo)彎頭和閥后直管段的尺寸
5.1 m·s-1
對(duì)更換下的彎頭和直管段進(jìn)行理化分析
3
核電廠系統(tǒng)設(shè)備可靠性
參考相關(guān)可靠性理論,設(shè)備材料腐蝕損傷相關(guān)可靠性可劃分為兩大類(lèi)
核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明
本工作主要結(jié)合秦山二期的實(shí)際情況探討設(shè)備材料腐蝕損傷相關(guān)固有可靠性和使用可靠性問(wèn)題。
3.1固有可靠性
3.1.1核電材料標(biāo)準(zhǔn)
材料性能是核電廠設(shè)備設(shè)計(jì)輸人的關(guān)鍵數(shù)據(jù)
1)核電材料規(guī)范對(duì)部分材料化學(xué)成分控制范圍過(guò)寬、殘余元素控制不足
如RCC-M M3304規(guī)定Z2CNDl8—12(控氮)鋼的化學(xué)成分有C
2)核電材料規(guī)范對(duì)組織和相結(jié)構(gòu)的要求不夠明確
以RRCC_M為例
3)核電材料國(guó)產(chǎn)化有待根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)反饋持續(xù)完善并期待形成核心技術(shù)
核電材料國(guó)產(chǎn)化需要進(jìn)行充分試驗(yàn)和理論分析
3.1.2核電設(shè)備防腐蝕設(shè)計(jì)
核電廠常規(guī)島的設(shè)備材料發(fā)生過(guò)多起因防腐蝕設(shè)計(jì)不當(dāng)(主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和/或材料選材)導(dǎo)致材料發(fā)生腐蝕損傷的事件
1)SRI/SEN板式熱交換器板間流速設(shè)計(jì)值過(guò)高
2)二回路部分汽水管道的材料選材不當(dāng),導(dǎo)致管道帶壓堵漏頻發(fā)
3)SEC泵海水泥沙造成設(shè)備材料沖蝕腐蝕
4)防腐蝕施工和腐蝕檢查的可達(dá)性。
3.1.3核電設(shè)備制造
設(shè)備制造導(dǎo)致的固有可靠性問(wèn)題
1)使用廢鋼進(jìn)行冶煉,導(dǎo)致很多問(wèn)題發(fā)生
2)鍛造比不足3
3.2使用可靠性
設(shè)備材料使用可靠性,包括運(yùn)行方面的環(huán)境相容性
偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行的常見(jiàn)案例是截止閥長(zhǎng)期作為調(diào)節(jié)閥使用
4
、核電廠設(shè)備材料防腐蝕技術(shù)的改進(jìn)4.1核電材料用戶規(guī)范
針對(duì)核電材料規(guī)范對(duì)部分材料化學(xué)成分控制范圍過(guò)寬
、殘余元素控制不足以及對(duì)組織和相結(jié)構(gòu)的要求不夠明確等欠缺,以及眾多生產(chǎn)廠家的技術(shù)和質(zhì)保能力參差不齊等問(wèn)題,筆者提議建立一套核電行業(yè)共享的核電材料用戶規(guī)范(采購(gòu)規(guī)范)。此規(guī)范需符合核電廠設(shè)計(jì)和建造規(guī)范要求,具有先進(jìn)性、專(zhuān)用性和適用性,并且應(yīng)比采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)更為詳細(xì)地規(guī)定核電設(shè)備材料要求,并定期(5a)進(jìn)行復(fù)查和更新。4.2 設(shè)備防腐蝕可靠性設(shè)計(jì)
對(duì)于核電廠關(guān)鍵設(shè)備的防腐蝕設(shè)計(jì)
,建設(shè)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用基于故障樹(shù)分析(FTA)、故障模式及影響分析(FMEA)和失效概率分析(FPA)的設(shè)備防腐蝕可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。FTA
、FMEA和FPA具有較強(qiáng)的邏輯關(guān)系。FTA分析哪些設(shè)備發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)組≥10%功率波動(dòng)或停機(jī)停堆
,F(xiàn)MEA分析這些設(shè)備存在哪些功能重要故障模式及其影響,F(xiàn)PA分析重要功能故障模式發(fā)生的概率。根據(jù)以上分析結(jié)果進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì),可進(jìn)一步提升設(shè)備運(yùn)行性能。4.3工程協(xié)調(diào)控制
工程協(xié)調(diào)控制主要應(yīng)用各工業(yè)領(lǐng)域均適用的工程控制論的基本理論和方法,協(xié)調(diào)控制一個(gè)系統(tǒng)各組成部分之間的相互關(guān)系及整個(gè)系統(tǒng)的綜合行為
,從而可能達(dá)到工程控制論期望實(shí)現(xiàn)的“用不可靠元件構(gòu)造一個(gè)可靠的系統(tǒng)”的目的。通過(guò)工程協(xié)調(diào)控制提高系統(tǒng)可靠性的基本方法,是采用冗余原則(增加基數(shù))、增設(shè)性質(zhì)不同的獨(dú)立功能和避免疊加效應(yīng)以SEC系統(tǒng)設(shè)備和管道為例
SEC泵進(jìn)、出口管道同時(shí)采用外加電流和犧牲陽(yáng)極保護(hù)
,防腐蝕效果良好(并聯(lián))。位于管溝和核島的SEC管道采用三層涂層保護(hù)(串聯(lián));按照“增設(shè)性質(zhì)不同的獨(dú)立功能”的方法,該管段宜增設(shè)犧牲陽(yáng)極保護(hù),在涂層局部失效時(shí)可以提供有效防護(hù)。4.4定期檢查和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)研發(fā)
有效的核電廠設(shè)備腐蝕損傷定期檢查技術(shù)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)
,以及時(shí)了解腐蝕狀態(tài),給出準(zhǔn)確診斷信息,并據(jù)此通過(guò)腐蝕介質(zhì)控制和工況參數(shù)調(diào)整保持系統(tǒng)設(shè)備良好的運(yùn)行狀態(tài)。4.5材料耐腐蝕評(píng)定
技術(shù)改進(jìn)工程上一般采用標(biāo)準(zhǔn)的“耐腐蝕評(píng)定試驗(yàn)方法”(簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)方法)對(duì)材料進(jìn)行耐腐蝕評(píng)定
。這需要充分認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的腐蝕機(jī)理以選取合適的試驗(yàn)方法。通常使用國(guó)標(biāo)和美標(biāo)制定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,但這些方法具有局限性,用標(biāo)準(zhǔn)方法檢驗(yàn)認(rèn)為沒(méi)有晶間腐蝕傾向的材料,并不能保證其在引起晶間腐蝕的其他介質(zhì)中也不產(chǎn)生晶間腐蝕;反之有晶間腐蝕傾向的材料在許多環(huán)境中也未必會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕,即局限性較大。筆者研究認(rèn)為
,需針對(duì)工程實(shí)際服役環(huán)境進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果可以評(píng)價(jià)材料在工程實(shí)際情況下的耐蝕性。4.6核電廠水化學(xué)改進(jìn)
(1)一回路對(duì)于PWR核電廠一回路水化學(xué),20世紀(jì)90年代以來(lái)包括美國(guó)
、法國(guó)和日本等在內(nèi)的研究結(jié)果表明(國(guó)內(nèi)也有單位進(jìn)行研究),在一回路添加微量的鋅(約10μg/kg)可有效改善結(jié)構(gòu)材料表面氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài),提高材料耐蝕性,減少腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)移,降低一回路放射性水平。PWR核電廠一回路加鋅始于1994年西屋公司和EPRI在美國(guó)Farley核電廠2號(hào)機(jī)組進(jìn)行的試驗(yàn)筆者認(rèn)為
(2)二回路目前國(guó)際上流行的二回路pH控制劑包括乙醇胺(ETA)
、嗎啉和氨等。秦山二期設(shè)計(jì)上采用氨處理,使得汽水分離再熱器(MSR)和高壓加熱器疏水等管線的pH偏低,不利于汽水管道材料抗FAC,從每次換料大修獲取的汽水管道壁厚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和蒸氣發(fā)生器(SG)二次側(cè)沖洗泥渣數(shù)據(jù)可以反映出pH偏低的影響程度。也有部分國(guó)家核電廠采用高氨處理工藝。高氨處理也會(huì)導(dǎo)致SG排污凈化系統(tǒng)的除鹽床樹(shù)脂更換周期較短。近年來(lái)ETA因其較強(qiáng)的堿性和低揮發(fā)性而得到越來(lái)越多的應(yīng)用,秦山一期率先應(yīng)用ETA。在嚴(yán)格論證了ETA與二回路材料的相容性及對(duì)相關(guān)樹(shù)脂的影響后,秦山二期已在國(guó)內(nèi)率先采用氨+ETA混合控制模式,有效提高了疏水的pH,給水鐵含量下降30%,MSR疏水鐵含量下降80%以上,實(shí)施效果良好。4.7沿海核電廠不銹鋼海洋大氣氯離子腐蝕
2001年
,南非Koeberg PWR核電廠2號(hào)機(jī)組燃料廠房?jī)?nèi)安全注入等系統(tǒng)管道發(fā)生貫穿性穿孔泄漏,盡管未產(chǎn)生核事故,但因更換長(zhǎng)度186m管道非計(jì)劃停堆56d。泄漏原因是由于核燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有有效去除氯離子的方法,貫穿件也未封堵大氣環(huán)境中不銹鋼的外應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(ES-CC)是需要高度關(guān)注的問(wèn)題
4.8設(shè)備和管道保溫層下腐蝕
保溫層下腐蝕(CUT)是指在帶保溫層的設(shè)備或管道外表面發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象
秦山二期檢查發(fā)現(xiàn)的設(shè)備和管道CUI主要發(fā)生在DEG(核島冷凍水系統(tǒng))和DEL(電氣廠房冷凍水系統(tǒng))。M310型核電廠一般采用冷凍水系統(tǒng)向通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻盤(pán)管提供7℃冷凍水(進(jìn)口12℃除鹽水)
4.9不銹鋼堆焊層長(zhǎng)期服役行為
核電廠一回路設(shè)備碳鋼表面普遍采用309L/308L堆焊層,但有關(guān)16MND5(或AS-508c1.3a)和309L/308L堆焊層組成的復(fù)合體的長(zhǎng)期服役行為的研究較少
4.10 SG泥渣含量運(yùn)行過(guò)程中
SG二次側(cè)中雜質(zhì)(主要是二回路腐蝕產(chǎn)物Fe3O4)以重力沉降
筆者對(duì)秦山二期二回路系統(tǒng)管道流體中鐵離子及其分布情況進(jìn)行了歷時(shí)7a的布點(diǎn)監(jiān)測(cè)
5、結(jié)束語(yǔ)
腐蝕防護(hù)是核電廠設(shè)備材料完整性控制的重要工作
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