压水堆核电厂二回路水质泥渣沉积分析与控制优化

王 静,孙雪平,柏 乐

(海南核电有限公司，海南昌江572733)

压水堆核电厂二回路水质泥渣沉积分析与控制优化

王 静,孙雪平,柏 乐

(海南核电有限公司，海南昌江572733)

核电厂蒸汽发生器相当于一个巨大的垃圾收集器，二回路系统的杂质及异物等均进入蒸汽发生器后，容易发生杂质沉积，并导致蒸汽发生器传热管传热效率降低，严重时甚至会引起蒸汽发生器传热管腐蚀破损。因此，本文从核电厂二回路各系统管道和容器的材质、二回路水质控制以及二回路腐蚀等方面出发，分析核电厂蒸汽发生器的泥渣含量高的原因，并提出合理的技术改进。最终达到降低蒸汽发生器泥渣量的沉积，提高蒸汽发生器的安全使用寿命的目的。

蒸汽发生器； 泥渣量；腐蚀； 水质控制

压水堆中蒸汽发生器(SG)的主要作用是将一回路中水的热量传给二回路的水，使其汽化。由于一回路水流经堆芯而带有放射性，因而蒸汽发生器与压力容器和一回路管道共同构成防止放射性外泄的第二道屏障。因此，蒸汽发生器是核电厂的重要设备之一，蒸汽发生器水质监督也是电厂水化学监督管理的核心工作，最终目的是：

(1) 减少包括汽轮机在内的二回路系统设备的腐蚀，尽可能降低二回路腐蚀产物向SG中迁移沉积；

(2) 减少SG传热管、支撑板和管板上的淤渣沉积量，防止SG传热管因局部腐蚀而开裂，提高电厂运行安全性和经济性。

中国秦山一、二、三期，大亚湾、岭澳和田湾等核电厂已相继投产，各种形式的蒸汽发生器在不同国家广泛的运行，但是都有各自独特的运行经验和传热腐蚀的防护措施，各国都在加强对蒸汽发生器传热管的降质预防，并且防止传热管的泄漏或破裂引起的放射性泄漏，因此控制二回路水质优化并且提高蒸汽发生器的传热质量是重要的工作。

海南核电可以通过建立SG老化管理体系，严格控制SG的水化学条件，大修期间的泥渣冲洗，凝汽器热阱增设磁栅的技术改进，以及充分的在役检查等措施，结合秦山核电二厂的SG保养方法，使可以预见的SG老化降至最小化，确保SG的长期安全稳定运行。

1 蒸汽发生器泥渣含量高的原因分析

1.1 蒸汽发生器泥渣来源

由于蒸汽发生器中凝汽器钛管破裂、蒸汽发生器传热管泄露、二回路补给水不合格或者系统和设备的完整性受到破坏而导致二次侧水质变差[1]。在管板上表面、管束和管板的连接部位及流动死区等部位，很容易由于水的不断蒸发而导致杂质(各种盐类)的积聚，并使得这些部位的应力腐蚀和晶间腐蚀加剧，最后导致各类盐类泥渣沉积。

1.2 数据分析

秦山第二核电厂1号机组都已经经历了多次换料大修，每次大修期间都对SG进行压力冲洗，充冲洗来看结果来看，蒸汽发生器冲洗出的泥渣量还是比较高，具体数据见表1。

表1 秦山第二核电厂历次大修SG冲洗泥渣含量(湿重)

通过数据对比可以看出，在核电厂开始运行的初期，蒸汽发生器中的泥渣含量较高，虽然数据显示呈逐年下降的趋势，但是在运行5个燃料循环后，其蒸汽发生器的泥渣含量仍处于较高的数值。这些泥渣必须在每次大修过程中花费大量的人力和物力开展冲洗工作。

1.3 原因分析

1.3.1 泥渣成分分析

大修蒸汽发生器冲洗后，对蒸汽发生器冲洗泥渣进行了Fe含量分析，并且开展了化学成分分析。由于分析过程中称重的滤芯为湿重，分析前需要对泥渣进行烘干，并计算泥渣样品的含水量。结果见表2。

表2 U2C1大修蒸汽发生器冲洗泥渣成分分析

从101大修蒸汽发生器冲洗泥渣样品分析结果(见表2)来看，泥渣样品的含水量约占样品总量的30%左右，烘干后的样品中Fe含量约占样品干重的60%～65%，换算成铁的氧化物约占样品总量的90%以上，泥渣样品有明显磁性，表明泥渣样品中Fe大部分以磁铁矿(Fe3O4)形式存在。

对101大修蒸汽发生器冲洗泥渣样品化学成分分析(见表3)，结果也进一步证明泥渣样品中主要成分是铁的氧化物，Mg、Cu、Ni、Cr、Ca及SiO2的含量很低，甚至检测不到。

表3 U2C1大修蒸汽发生器冲洗泥渣化学分析

1.3.2 泥渣含量分析

蒸汽发生器冲洗泥渣中的Fe主要有两个来源，一是蒸汽发生器本身的腐蚀，二是二回路热力系统的腐蚀产物迁移到蒸汽发生器并沉积。

但是，无论是蒸汽发生器本身的腐蚀，还是二回路热力系统的腐蚀产物迁移到蒸汽发生器。理论上，根据平衡原理，蒸汽发生器泥渣总的Fe含量可以由下列公式计算得出。

SGFe= AHPFe×AHP流量-(VVPFe×

VVP流量+APGFe×APG流量)

(1)

式中：SGFe——蒸汽发生器中铁含量；

AHPFe——二回路给水中铁含量；

AHP流量——二回路给水流量；

VVPFe——蒸汽中铁含量；

VVP流量——蒸汽流量；

APGFe——蒸汽发生器中排污水中铁含量；

APG流量——蒸汽发生器中排污水流量。

以秦山二期2号机组第2～5燃料循环(以U2C2～U2C5)，二回路系统Fe的平均计算：

AHPFe=2.95 ppb AHP流量：3978t/h

VVPFe=1.41 ppb VVP流量：3862t/h

APGFe=2.09 ppb APG流量：40 t/h

把以上参数及分析数据带入(1)式，可计算出每小时迁移带蒸汽发生器总的Fe量

SGFe= AHPFe×AHP流量-(VVPFe×

VVP流量+APGFe×APG流量)

=2.95×978- (1.41×3862+2.09×40) =6206.08 mg=6.20 g

按平均循环316天计算，每个燃料循环迁移到SG总的Fe量为：SGFe总=6.20×24×316 =47.02 kg。换算成Fe的氧化物(以Fe3O4计)，每个燃料循环迁移沉积到SG总的铁的氧化物约为：SGFe3O4=47.02×232/168 =64.93 kg

而实际上，秦山二期2号机组第2～5燃料循环(以U2C2～U2C5)每次换料大修两台蒸汽发生器冲洗出的平均泥渣量湿重为96.7kg，含水量约30%，换算为干重约为67.7kg。

由以上理论计算值和每次大修SG 冲洗的实际泥渣量可以初步看出，计算结果与实际泥渣量基本相符，因此，蒸汽发生器总的泥渣主要来于二回路热力系统腐蚀产物在蒸汽发生器中迁移沉积。

2 降低泥渣量的改进方法

2.1 凝汽器热阱增设磁栅

国内不少发电厂在凝汽器热阱或者在凝结水管路上都装有磁力过滤器或者微孔过滤器，以除去系统中的悬浮固体颗粒，防止其进入给水加热器和蒸汽发生器，影响加热器和SG传热管的性能。根据秦山二期的分析以及实际数据，可以看出，每年蒸汽发生器管板和泥渣收集器冲洗都能冲出大量的泥渣。因此说明SG内是存在着大量的沉积物，一旦凝结水精处理没有全流量运行，会有一部分沉积物也从凝结水中带出去的，而且前置阳床反洗水颜色深，灰黑色，需要反洗很多次才能进行再生，说明树脂受到相当的铁质污染。而如果凝结水精处理装置不运行时，这些“铁质颗粒”的腐蚀产物又很容易进入给水系统，从而进入蒸汽发生器。因此在凝汽器热阱中安装磁力过滤装置，以除去这些带磁性的腐蚀产物是有必要的。

在凝结器热阱内，以凝泵吸入口为中心(见图1)四周布置成用磁栅做成的四边形围栏，围栏框架边长3000mm×2500mm，磁栅高1200mm，四边的框架分别为上下两个平行焊接在凝汽器支撑管上的50#角铁组成，其角铁上每隔60mm打一个φ18的孔，将长为1200mm强磁吸铁器垂直插入孔中，组成一组磁栅，形成一个相对封闭的磁场，当水流经过这个磁栅, 其中铁质颗粒即被磁栅筛选出来，实现水的磁性净化。

图1 强磁吸铁器与框架组装示意图Fig.1 Strong magnet iron and frame group diagram

2.2 二回路管道材质变更

核电厂二回路主给水管线、凝结水管线、疏水管线、部分抽汽管线等主要是由碳钢制造的，在运行过程中，与流体接触的碳钢管线会发生腐蚀现象，而流体流动会加剧这一过程，这种腐蚀被称为流动加速腐蚀(FAC)[2]。一般认为，FAC 就是碳钢或低合金钢的正常保护性氧化膜溶进流动的水或者汽水混合两相流体中，与流体直接接触的材料表面氧化膜会变薄且保护性降低，同时材料的腐蚀速率变大，最终材料的腐蚀速率与氧化膜的溶解速率达到平衡，并且这一过程会随着运行而持续下去。FAC 造成管道的壁厚减薄，致使管道的强度降低，引起腐蚀加速。影响FAC的主要因素包括：(1) 金属材料；(2) 环境；(3) 流体力学。具体影响方面见表4。

核电厂二回路热力系统主要管道，如凝结水管道、再热器疏水箱出水管道、汽机抽汽管道、除氧再循环管道等管道的材料主要为20号碳钢和Q235钢。核电厂二回路热力系统主要材料化学成分如表5所示。

表4 FAC的影响因素

表5 二回路热力系统主要材料化学成分

20号钢是优质碳素结构钢，Q235是碳素结构钢，20号钢价格比Q235更高一些。 20号钢在正火状态屈服点为245MPa，伸长率为>25%；调质状态屈服点为280MPa，伸长率为>22%。Q235钢屈服点为235MPa，伸长率为21%～26%。20 号碳钢具有很高的导热率和良好的力学性能，而且价格便宜，表面钝化处理后具有较高的耐蚀性，因而在热力发电厂的炉管中广泛应用。

而304L不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件。309L焊材是碳含量较低的309S不锈钢的变种，用于需要焊接的场合。它们相对于表5中的材质Cr含量有了较大的提高，而且C含量大大降低，因此耐腐蚀性、耐热性均有较大程度的提高。其具体成分如表6所示。

表6 304L不锈钢主要材料化学成分

考虑到运行后的FAC对管道的影响，建议核电厂应该对二回路的管道进行设计变更，将所有的疏水管减压阀后管段和弯管、变径以及三通等部件由碳钢材质变更为304L不锈钢，直管段材质不变。管道与管件之间的连接为异种金属焊缝连接，可选用309L焊材。由于不锈钢中的Cr含量较碳钢有较为明显的提高，所以在二回路FAC敏感管线的弯头、变径、三通等部件及其连接焊缝的抗FAC能力显著增强。

2.3 二回路水质优化

SG水质对SG管束的完整性有重大影响，预防蒸汽发生器腐蚀的最重要的手段就是二回路水质监督与控制。因为蒸汽发生器相当于高效过滤器，尽管给水中盐类杂质低到ppb级别，但是在滞流区、缝隙内杂质也能浓缩到管子腐蚀的程度。因此二回路水质控制措施如下：

(1) 对二回路系统采用AVT全挥发水质控制，由于限制了SG内的总碱度并禁止带游离碱持续运行，保证了二回路的pH稳定在9.6～10.0左右运行，故能防止碱性应力腐蚀的发生，降低壁厚减薄的发生可能性。图2显示适当提高给水的pH，能有效防止腐蚀产物向SG内转移。

图2 温度和 pH 值对Fe3O4 溶解度的影响[3]Fig.2 Effect of temperature and pH on the solubility of Fe3O4

(2) 也可以考虑二回路采用乙醇胺ETA水化学处理技术，能充分缓解疏水系统和水相系统的流体加速腐蚀(FAC)、进一步改善核电站二回路系统的腐蚀状况、减少腐蚀产物向蒸汽发生器的转移量，从而降低腐蚀产物在蒸汽发生器内部沉积量。

(3) 防止凝汽器泄露，减少由于凝汽器泄露对二回路水质影响。即使是微量的泄露也能给二回路水质带来恶化甚至引起停机。

(4) 控制补给水和化学添加剂的质量，减少由于补水和加药带来的额外杂质。

(5) 凝结水进行全流量处理，通过水质净化减少存于系统中的杂质含量，防止二回路水质受到氯离子的污染。

(6) SG连续排污，通过直接排放或净化处理降低SG二次侧水质中杂质含量，并且严格监督控制SG排污水的质量，确保二次侧水质pH、Cl等引起腐蚀的因素。

2.4 二回路管道减薄监督

目前核电厂二回路的管线用材主要是碳钢。许多在役核电厂都出现了碳钢管道壁厚减薄现象，在二回路中直径小的管道的弯管、弯头和孔板出现了破口或壁厚减薄现象，甚至引发安全事故。针对此情况，需要对二回路的管道减薄情况开展跟踪与监督。

(1) 管道分类

根据系统运行参数，可以将核电厂二回路汽水管道按照FAC敏感程度分为3类，如表7 所示。

表7 二回路汽水管道FAC敏感程度

(2) 制定跟踪计划

根据二回路运行的经济性和安全性，可以选择主蒸汽系统、汽轮机、MSR、再热、抽气回路、疏水回路、冷凝水回路、主给水回路等作为重点实施监督。在大修期间应检查二回路换热器等设备的腐蚀状况、评估腐蚀产物向蒸汽发生器的转移情况。

3 结论

核电厂二回路的水质控制关系着蒸汽发生器的安全、经济、高效运行，而蒸汽发生器中的泥渣沉积会直接导致蒸汽发生器的使用寿命，通过对泥渣组分分析、二回路水质控制、二回路腐蚀机理以及二回路主要系统材料分析，为了降低核电厂蒸汽发生器泥渣沉积，可以采取凝汽器增设磁栅除去二回路大量的铁渣的迁移和沉积，并且适当改进二回路部分管道设备的材质，优化二回路水质控制，并通过管道减薄跟踪来监督二回路FAC重点系统并进一步改进的措施，结合这些信息，逐步改进控制二回路水质，维护蒸汽发生器长期稳定运行。

[1] 丁训慎.核电厂蒸汽发生器运行中的安全问题[J].核安全, 2004.

[2] 赵亮.秦山第三核电厂二回路管道流动加速腐蚀控制[J].994-2015.

[3] 陶钧，孔德萍.秦山核电厂二回路系统水化学的改进[J].中国工程科学,2008.

[4] 姚雪鸿.大亚湾核电基地压水堆机组二回路水质控制与实践[C].电厂化学2013学术年会论文集,2013.11.

The Analysis of Sludge Sedimentation and Control Optimization of Second-loop Water Quality in PWR Nuclear Power Plant

WANG Jing,SUN Xue-ping,BAI Le

(Hainan Nuclear Power Co.Ltd.，Changjing of Hainan Prov.572733,China)

The steam generator of the nuclear power plant s is equivalent to a huge garbage collector, after the impurities and foreign matter of the secondary loop join into the steam generator,which are prone to cause impurity deposition phenomenon.That will reduce the heat transfer efficiency of the steam generator heat pipe, even when serious cause the steam generator heat transfer pipe corroded and damage. Therefore, this paper discussed the pipes and the material of vessels about systems from the second loop of nuclear power plant, the control of water quality, as well as other aspects of the corrosion, and analyzes the reasons for the higher sludge content of the steam generator, at last proposes reasonable technical improvements. Ultimately that can reduce the amount of sludge deposition in the steam generator, and improve the safety life of the steam generator.Key words: Steam generator; The amount of sludge; Corrosion; Control the water quality

2016-06-01

王 静(19876—)，女，河北唐山人，工程师，本科，从事核电厂工作

TL48

A

0258-0918(2016)06-0858-07