壓水堆核電機組二回路流動加速腐蝕的原因及處理措施

王 柱,韓會娟,李 鵬,孫國偉

(臺山核電合營有限公司,廣東 臺山 529228)

壓水堆核電機組二回路流動加速腐蝕的原因及處理措施

王 柱,韓會娟,李 鵬,孫國偉

(臺山核電合營有限公司,廣東 臺山 529228)

針對國內某壓水堆核電二回路流動加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion，簡稱FAC)問題，分析了其產生原因，并提出了相應解決措施，即在保持二回路系統微量溶解氧含量基礎上，適時將二回路堿化劑由氨改為有機胺，提高給水pH值。運行實踐表明，采用該措施消除了設備FAC現象的發生。

壓水堆機組二回路;流動加速腐蝕;高pH值的還原性全揮發處理;有機胺處理;給水微量氧

1 國內某壓水堆機組熱力系統

1.1 機組二回路的結構

國內某壓水堆(Pressurized Water Reactor, 簡稱PWR)機組的熱力系統如圖1所示。二回路為圖1虛線部份，主要設備包括凝汽器、高低壓加熱器、除氧器、蒸汽發生器(Steam Generator, 簡稱SG)、汽水分離再熱器、汽輪機及連接管道等。其設備材料包括鈦合金、碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、經熱處理的因科鎳690合金等[1]。

1.2 二回路運行環境

該機組二回路介質處于高溫、高壓環境,不同材料和介質之間的交互作用會導致不同形態的腐蝕,特別是一二回路壓力邊界的SG傳熱管,其表面積占二回路系統總表面積很大比例,作為第二道安全屏障的一部分,承擔著防止放射性物質向環境釋放的作用。

圖1 某PWR機組基本熱力系統流程圖

1.3 減緩二回路腐蝕的原理及目的

該電站二回路采用還原性全揮發處理(All Volatile Treatment (Reduction), 簡稱AVT(R)),即通過向二回路系統添加氨和聯氨,調節給水pH25℃值在9.5～10,聯氨含量在30～200 μg/kg以維持SG內完全的還原性環境,從而實現如下目的:

1) 減緩二回路系統材料的腐蝕,包括材料的均勻腐蝕和FAC,以減少腐蝕產物向SG的遷移,抑制SG內腐蝕產物的沉積。

2) 減緩SG內材料均勻腐蝕和局部腐蝕的發生,降低傳熱管積污及傳熱管支撐板堵塞,確保一、二回路壓力邊界完整性,改善SG運行性能。

2 該電站二回路存在的問題

該電站二回路化學水控制水平一直在國際同類機組中保持領先地位,其1號機組某年二季度給水pH值(采用在線pH計測量)和溶氧(采用在線溶氧表測量)含量變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 1 號機組給水pH25℃變化趨勢圖

圖3 1號機組給水溶氧含量變化趨勢圖

從圖2、圖3中可以看出,指標完全滿足標準要求。然而從大修檢查中發現了二回路設備的腐蝕跡象,如圖4所示，且給水鐵含量(采用原子吸收光譜儀測量)波動較大,如圖5所示。另外,在每次大修時,均能從汽水分離再熱器箱底及疏水箱中清掃出一些銹蝕產物,經化驗分析得知為磁性氧化鐵;在凝汽器底部也會清理出類似的銹蝕產物。同時,在進行SG沖洗時,沖洗出的泥渣總量逐步增加,這對SG的安全運行構成了實質性威脅。

3 原因分析

通過對腐蝕形態、腐蝕產物成分分析、金相分析,并結合腐蝕部位的熱力情況,確認了引起上述問題的主要原因是FAC。

圖4 設備腐蝕情況

圖5 1號機組給水鐵含量變化趨勢圖

3.1 FAC的過程和機理

流動加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion, FAC)是指在湍流情況、快速流動的水或濕蒸汽作用下,碳鋼或低合金鋼表面保護性氧化膜(通常為磁性氧化鐵)不斷溶入水流或水汽混合流體中,使底層金屬不斷發生腐蝕,最終導致管壁不斷減薄。

FAC的發生分為4步,如圖6所示。

圖6 FAC發生示意簡圖

1) 由于PWR核電站二回路系統采用AVT(R)處理,鐵在金屬-氧化層接觸面的游離氧水溶液中發生氧化反應,在溶液空隙中形成可溶的亞鐵離子,通過多孔的氧化層擴散到主體溶液中,反應產生的H2可通過多孔氧化層擴散,也可進入到金屬當中。

Fe+2H2O→Fe2++2OH-+H2Fe2++2OH-→Fe(OH)2

2) 剩余的亞鐵離子在內層形成磁性氧化鐵并在已有的氧化膜上發生沉積。而且在低流速下,這層氧化鐵膜具有保護性,能夠顯著降低長周期的腐蝕速率(在熱傳輸的情況下,腐蝕速率達到<1 μm/a)。

3Fe(OH)2+2OH-→Fe3O4+H2+2H2O

3) 受溶液中H2的還原作用,外層的磁性氧化鐵膜發生溶解。

式中,b=0、1、2、3,具體取值取決于亞鐵離子的水解程度。

4) 在水流的剪切力和濃度梯度的作用下,可溶的鐵從孔隙靜止溶液中向主體流動溶液中遷移。

3.2 造成FAC的主要因素

從上述過程可看出,造成FAC的主要因素有:

1) 介質,水是除掉氧化層的必要條件,因此FAC發生在單相水流或汽水兩相流體中。

2) 流速,高流速及湍流狀態下,碳鋼的腐蝕速率明顯加速。

3) 溫度,FAC通常發生在100～250 ℃之間,對于流速恒定、pH穩定的水流,通常在130～180 ℃之間FAC速率最大。

4) 材料成分,材料中鉻含量高于1%,FAC的影響可忽略[2]。

5) 設備幾何尺寸對FAC有影響。

另外,給水溶氧含量,給水溶氧含量超低,會造成給水pH值偏低,容易引起二回路材料的FAC加速。這種現象在國內火電廠曾經出現過。

4 采取措施

4.1 材料改進

采用高鉻含量設備替代易發生FAC的二回路設備,避免FAC的發生。

4.2 pH調節改進

由于pH對FAC有重要影響,因此提高敏感區域,特別是汽液兩相區域的pH值調節適宜可顯著降低FAC速率[3],如圖7所示。

圖7 碳鋼FAC速率(180 ℃)與溶液pH25℃值的關系

由圖7可見,當pH25℃≥9.60時,FAC速率大幅降低,因此,參考國內外的良好實踐,該電站決定提高給水pH值至限值的上限區域,即將給水pH25℃值提高至9.8～10區域。經運行實踐表明,改進后給水鐵含量得到有效控制,基本穩定在1μg/kg左右,如圖8所示;同時,近兩次機組大修中,SG沖洗出的泥渣總量也在減少。

圖8 給水pH提高后1號給水鐵含量變化趨勢圖

由于氨的強揮發性,因此，液相區域pH值有時依然偏低,存在FAC的風險。根據歐美國家二回路有機胺處理的成熟做法,該電站考慮在二回路開展使用低揮發性的有機胺來替代氨的相關試驗,并在時機成熟時進行堿化劑切換。

4.3 給水加氧

采用給水加氧方式來降低系統材料腐蝕,特別是對降低FAC的發生更有效,如國華太倉發電有限公司的超臨界機組就實施了給水加氧處理,防腐蝕效果特明顯[4]。

采用給水加氧處理的條件,包括除凝汽器外的系統不含銅合金部件;凝結水系統配置了全流量精處理系統;給水化學品質良好,氫電導率小于0.15 μS/cm等。

對于核電站而言,采用這種處理方式必須保證給水系統末端進入SG前的聯氨含量,即維持給水聯氨含量與溶氧含量的質量濃度比值R≥8,以確保SG內完全的還原性環境。

5 結 語

該核電站通過提高二回路給水pH值的方式基本消除了設備FAC現象的發生。在此基礎上,后續還將對有機胺在二回路的應用、給水溶氧控制改進方面進行一系列實驗,在獲得足夠數據支撐后將適時實施,以保證機組的安全長期經濟運行。

[1] 廣東核電培訓中心. 900 MW壓水堆核電站系統與設備[M]. 北京:原子能出版社,2005. Guangdong Nuclear Power Training Center. 900 MW PWR nuclear power plant and equipments [M]. Beijing: Atomic Power Press, 2005.

[2] 李宇春，朱志平. 核電站水化學控制工況備[M]. 北京:化學工業出版社,2008. LI Yuchun, ZHU Zhiping. Working conditions of hydrochemistry in nuclear power plants [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.

[3] 范曉梅，林建中，左萌. PWR二回路給水水質控制的探討[J]. 重慶電力高等專科學校學報,2008，13(3). FAN Xiaomei, LIN Jianzhong, ZUO Meng. Dicussion of secondary side water quality control for PWR plants [J]. Journal of Chongqing Electric Power College, 2008，13(3).

[4] 顧慶華、付昱. 國華太倉發電廠超臨界機組直流鍋爐給水加氧處理實踐[J]. 熱力發電,2009，38(12). GU Qinghua, FU Yu. Practice of oxygen-adding treatment for feed-water of once-through boilers equipped for supercritical units in Guohua Taicang power plant [J]. Thermal Power Generation, 2009，38(12).

(責任編輯 郭金光)

Cause and countermeasures of flow accelerated corrosion in the PWR secondary circuit

WANG Zhu, HAN Huijuan, LI Peng, SUN Guowei

(Taishan Nuclear Power Joint Venture Company, Taishan 529228, China)

Aiming at the problem of Accelerated Corrosion Flow(FAC)in a pressurized water reactor nuclear power plant secondary circuit，the cause of its generation is analyzed，and the corresponding solving measures are put forward，which is based on the secondary circuit system’s trace dissolved oxygen content，and the secondary circuit base is changed from ammonia to organic amine，and the pH value is improved in the feed-water.Operation practice shows that the phenomenon of FAC is eliminated by using this measure.

the secondary circuit of PWR; flow accelerated corrosion,; all volatile treatment (reduction) with high pH; organic amine treatment; trace oxygen in feed-water

2015-06-26。

王 柱(1972—),男,高級工程師,現從事核電廠化學與環境監督工作。

TM623.7

A

2095-6843(2015)06-0551-03