压水堆核电厂核岛硼结晶问题分析及处理对策

(中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518000)

硼结晶是氧化硼的水合物(B2O3·3H2O),为白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片状光泽结晶，压水堆核电厂一回路冷却剂中溶有的硼酸可吸收中子，通过调整硼溶度可控制反应性(主要用于补偿氙效应和燃耗)。

本文针对压水堆核电厂岛硼结晶产生的机理及腐蚀危害，结合实践经验及国内外经验反馈制定了不同类别硼结晶问题的处理对策，提出了压水堆核电厂在减少硼结晶方面的后续改进方向。

1 压水堆核电厂核岛硼结晶问题介绍

压水堆核电厂机组在运行一个循环周期后，少量核岛设备都会出现一些硼结晶问题，需要在大修期间进行专项普查及治理。硼结晶问题主要在于阀门盘根、阀门中法兰、管道和容器法兰、接头等设备部件位置因为密封性不足导致硼酸渗出从而产生硼结晶现象。

核岛硼结晶的问题具有如下特点：

量少：大部分设备硼结晶量非常少，常见为轻微点状结晶，多集中在阀门盘根、中法兰、管道及容器法兰和接头等部位(如图1所示)。

反复：对相关设备硼结晶进行清理，部分设备经过一段时间后又重新出现了硼结晶。

以国内某核电厂某次大修的核岛硼结晶问题的数据统计如表1及图2所示。

表1 不同设备类型硼结晶数量统计表

图2 硼结晶重量统计图表Fig. 2 Statistics of boron crystal weight

2 硼结晶产生的机理及腐蚀危害

2.1 硼结晶的产生

图3 硼酸溶解度与温度特性曲线Fig. 3 Solubility and temperaturecharacteristic curve of boric acid

压水堆核电厂一回路硼酸溶度通常为(2 300～2 500)×10-6，附属浓硼系统硼酸溶度通常为(7 000～9 000)×10-6，其溶解度与温度的特性曲线如图3所示。通常硼酸的系统介质的温度较高，根据硼酸的特性，当硼酸溶液在温度下降至一定程度时就会析出硼结晶或者在泄漏后水分不断蒸发浓缩，最终形成硼结晶。为防止低温时一回路水中硼酸结晶而析出，系统设计限制一回路水温不得低于10 ℃。在10 ℃时，硼酸在水中的溶解度为3.51%(相当于硼浓度6 140×10-6)。当一回路水或者硼酸附属系统介质泄漏时，经过长时间水分蒸发，就会在泄漏部位形成硼结晶，所以硼结晶也是判断和监测系统或者设备有无泄漏的手段之一。

2.2 硼酸的腐蚀机理及危害

硼酸是一种弱酸， 95 ℃的饱和硼酸溶液pH值小于3，腐蚀性很强，能使碳钢和低合金钢设备溶解和腐蚀，但是对不锈钢基本无腐蚀。硼酸的腐蚀模式如表2所示。

硼酸腐蚀现象在核电史上是屡见不鲜的。2002年，美国戴维价贝塞核电厂的反应堆控制棒驱动机构密封壳体与反应堆压力容器项盖结合的部位处，由于硼酸的泄漏，导致在3号控制棒密封充体与压力容器顶盖结合处产生了严重的蚀坑。在美国土耳其角(Turkcy Point)核电厂4号机组也曾发现硼酸腐蚀，在反应堆压力容器顶盖上，大约有227 kg的硼酸结晶。清除掉硼酸结晶后，可以清楚地观察到各种部件的腐蚀情况。由此可见，硼酸腐蚀能力不容小觑[2]。

2.3 压水堆核电厂对于硼酸腐蚀的应对

在压水堆核电厂设计原则中，与硼酸水接触的部件一般都采用耐腐蚀的材料，如不锈钢、镍基合金、锆合金等，同时硼水系统的设备的紧固件材料一般都是不锈钢。硼酸腐蚀只有在硼酸水有泄漏或内衬材料有损伤的情况下才会发生，硼酸水与不耐腐蚀的碳钢和低合金钢(比如支架等)接触才会发生。如果金属表面温度高且泄漏率非常低，该溶液会迅速沸腾，留下干燥的硼结晶，本质上不会引起腐蚀[3]。因此压水堆核电厂硼结晶的影响是有限的(硼酸大量泄漏情况除外)。

3 硼结晶的处理策略

3.1 外部调研

在进行硼结晶处理策略制定前，首先介绍一下关于反应堆冷却剂压力边界密封相关的法规要求， EPRI相关资料有一个导则介绍了联邦法规、NRC要求、ASME规范要求等条款，总体要求如下：

1)应按较低的泄漏风险对设备进行设计；

2)应按较低的坡口即较大泄漏风险对设备进行设计及材料选型；

3)应按较低的泄漏风险对设备制造、组装；

4)应对设备进行科学的检查，以便及时发现泄漏、制定处理对策；

5)当泄漏发生后，应采取改进措施。

根据功能及重要性，EPRI将核电厂接头分为3级：

一类接头：包括一回路系统、核安全、放射性相关系统；

二类接头：包括二回路给水、汽机、发电、冷凝相关系统；

三类接头：包括BOP相关系统。

针对不同级别的设备泄漏，根据泄漏量及严重度，建议采取不同的对策，见表3、表4。

表3 根据泄漏严重程度的分级(EPRI)Table 3 Grading according to the severity of leakage

表4 泄漏处理标准

3.2 硼结晶处理标准及策略的制定

根据密封学对于密封度的定义[1]，虽然理论上静密封可能做到零泄漏，实际上要做到零泄漏不仅技术上特别困难，而且投入成本非常高。核电厂设计规范并非要求不能有泄漏，而是说不能有不正常的泄漏。通过3.1节EPRI对于泄漏的分级及处理标准，一类接头产生稳定的微量泄漏时，处理策略为状态监测，大部分硼结晶都属于这个范畴。

基于上述前提，核岛硼结晶问题的处理标准需要从如下几个维度进行统筹考虑制定：

1)需要考虑压水堆核电厂对于硼水回路设备的密封等级要求；

2)需要考虑硼结晶腐蚀特性的影响，要避免硼结晶腐蚀；

3)需要结合机组运行状态及不同设备而进行针对性的考虑处理策略；

压水堆核电厂运行状态分为日常运行和机组大修：

日常运行期间，系统带介质压力运行，隔离检修条件比较苛刻，所以对于日常运行期间硼结晶处理标准主要考虑硼结晶的腐蚀影响以及硼结晶发展趋势控制两个方面进行衡量。因此日常硼结晶的处理标准以硼结晶到达设备紧固件位置或连续3/4圈存在硼结晶为边界，并结合具体问题的影响进行考虑处理方案。

大修期间，系统会进行排空检修，但是由于机组运行了一个周期(1年或者1年半)，硼结晶处理策略需要有一个具体量化的标准。通过调研论证，大修硼结晶的处理标准以盘根密封1 g、垫片密封2 g、活结密封以硼结晶一圈为边界，并结合具体问题的影响考虑处理方案。(备注：根据3.1节标准，泄漏等级为2级、介质为水的接头泄漏标准为小于1滴/5 min，按此标准换算2 300×10-6硼水泄漏量为小于725.3 g/年。核级柔性石墨金属缠绕垫的泄漏率标准为小于1×10-4g/s[4]，按此标准换算2 300×10-6硼水泄漏量产生硼结晶量为7.25 g/年。上述的泄漏量都远高于硼结晶的处理标准。)

通过以上的分析论证，针对压水堆核电厂核岛设备的硼结晶处理标准及对策如表5所示。

表5 压水堆核电厂核岛硼结晶处理标准及对策

3.3 应用情况及改进方向

上述硼结晶处理策略已在国内多个压水堆核电厂日常及大修实践活动中进行应用，未出现因为硼结晶问题造成机组被迫停机停堆案例及重大设备异常案例，进一步验证了策略的适用性及有效性。

从根源上减少硼结晶问题的出现，可以采取进一步的措施：

1)对于频繁出现硼结晶的设备，通过替代手段，寻找密封等级更高的密封件(盘根/垫片)[5-7]替换现场密封等级低的密封件；

2)对于密封件老化问题，根据设备重要程度，制定预防性解体或者校验力矩大纲；

3)结合密封技术的发展，通过改造手段，改变设备密封形式或者减少可能泄漏点的设备。

4 结论及建议

在核电厂运行维护过程中，核岛硼结晶问题是一个常见的问题。硼结晶的腐蚀问题需要得到充分重视，尤其是对于碳钢及低合金钢部件的影响较大。根据核电厂设计制造及运营规范对于密封性的要求，少量且稳定的硼结晶问题是可以接受。硼结晶处理标准需要结合行业法规、密封技术水平及使用场合等因素进行分级制定。对于硼结晶的应对策咯应以状态监测作为主线，以减少甚至杜绝硼结晶为最终目标，针对不同类别的设备进行专题研究制定改进措施。