壓水堆核電廠核島硼結(jié)晶問題分析及處理對策

(中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518000)

硼結(jié)晶是氧化硼的水合物(B2O3·3H2O),為白色粉末狀結(jié)晶或三斜軸面鱗片狀光澤結(jié)晶，壓水堆核電廠一回路冷卻劑中溶有的硼酸可吸收中子，通過調(diào)整硼溶度可控制反應(yīng)性(主要用于補償氙效應(yīng)和燃耗)。

本文針對壓水堆核電廠島硼結(jié)晶產(chǎn)生的機理及腐蝕危害，結(jié)合實踐經(jīng)驗及國內(nèi)外經(jīng)驗反饋制定了不同類別硼結(jié)晶問題的處理對策，提出了壓水堆核電廠在減少硼結(jié)晶方面的后續(xù)改進方向。

1 壓水堆核電廠核島硼結(jié)晶問題介紹

壓水堆核電廠機組在運行一個循環(huán)周期后，少量核島設(shè)備都會出現(xiàn)一些硼結(jié)晶問題，需要在大修期間進行專項普查及治理。硼結(jié)晶問題主要在于閥門盤根、閥門中法蘭、管道和容器法蘭、接頭等設(shè)備部件位置因為密封性不足導(dǎo)致硼酸滲出從而產(chǎn)生硼結(jié)晶現(xiàn)象。

核島硼結(jié)晶的問題具有如下特點：

量少：大部分設(shè)備硼結(jié)晶量非常少，常見為輕微點狀結(jié)晶，多集中在閥門盤根、中法蘭、管道及容器法蘭和接頭等部位(如圖1所示)。

反復(fù)：對相關(guān)設(shè)備硼結(jié)晶進行清理，部分設(shè)備經(jīng)過一段時間后又重新出現(xiàn)了硼結(jié)晶。

以國內(nèi)某核電廠某次大修的核島硼結(jié)晶問題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1及圖2所示。

表1 不同設(shè)備類型硼結(jié)晶數(shù)量統(tǒng)計表

圖2 硼結(jié)晶重量統(tǒng)計圖表Fig. 2 Statistics of boron crystal weight

2 硼結(jié)晶產(chǎn)生的機理及腐蝕危害

2.1 硼結(jié)晶的產(chǎn)生

圖3 硼酸溶解度與溫度特性曲線Fig. 3 Solubility and temperaturecharacteristic curve of boric acid

壓水堆核電廠一回路硼酸溶度通常為(2 300～2 500)×10-6，附屬濃硼系統(tǒng)硼酸溶度通常為(7 000～9 000)×10-6，其溶解度與溫度的特性曲線如圖3所示。通常硼酸的系統(tǒng)介質(zhì)的溫度較高，根據(jù)硼酸的特性，當(dāng)硼酸溶液在溫度下降至一定程度時就會析出硼結(jié)晶或者在泄漏后水分不斷蒸發(fā)濃縮，最終形成硼結(jié)晶。為防止低溫時一回路水中硼酸結(jié)晶而析出，系統(tǒng)設(shè)計限制一回路水溫不得低于10 ℃。在10 ℃時，硼酸在水中的溶解度為3.51%(相當(dāng)于硼濃度6 140×10-6)。當(dāng)一回路水或者硼酸附屬系統(tǒng)介質(zhì)泄漏時，經(jīng)過長時間水分蒸發(fā)，就會在泄漏部位形成硼結(jié)晶，所以硼結(jié)晶也是判斷和監(jiān)測系統(tǒng)或者設(shè)備有無泄漏的手段之一。

2.2 硼酸的腐蝕機理及危害

硼酸是一種弱酸， 95 ℃的飽和硼酸溶液pH值小于3，腐蝕性很強，能使碳鋼和低合金鋼設(shè)備溶解和腐蝕，但是對不銹鋼基本無腐蝕。硼酸的腐蝕模式如表2所示。

硼酸腐蝕現(xiàn)象在核電史上是屢見不鮮的。2002年，美國戴維價貝塞核電廠的反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)密封殼體與反應(yīng)堆壓力容器項蓋結(jié)合的部位處，由于硼酸的泄漏，導(dǎo)致在3號控制棒密封充體與壓力容器頂蓋結(jié)合處產(chǎn)生了嚴(yán)重的蝕坑。在美國土耳其角(Turkcy Point)核電廠4號機組也曾發(fā)現(xiàn)硼酸腐蝕，在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，大約有227 kg的硼酸結(jié)晶。清除掉硼酸結(jié)晶后，可以清楚地觀察到各種部件的腐蝕情況。由此可見，硼酸腐蝕能力不容小覷[2]。

2.3 壓水堆核電廠對于硼酸腐蝕的應(yīng)對

在壓水堆核電廠設(shè)計原則中，與硼酸水接觸的部件一般都采用耐腐蝕的材料，如不銹鋼、鎳基合金、鋯合金等，同時硼水系統(tǒng)的設(shè)備的緊固件材料一般都是不銹鋼。硼酸腐蝕只有在硼酸水有泄漏或內(nèi)襯材料有損傷的情況下才會發(fā)生，硼酸水與不耐腐蝕的碳鋼和低合金鋼(比如支架等)接觸才會發(fā)生。如果金屬表面溫度高且泄漏率非常低，該溶液會迅速沸騰，留下干燥的硼結(jié)晶，本質(zhì)上不會引起腐蝕[3]。因此壓水堆核電廠硼結(jié)晶的影響是有限的(硼酸大量泄漏情況除外)。

3 硼結(jié)晶的處理策略

3.1 外部調(diào)研

在進行硼結(jié)晶處理策略制定前，首先介紹一下關(guān)于反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界密封相關(guān)的法規(guī)要求， EPRI相關(guān)資料有一個導(dǎo)則介紹了聯(lián)邦法規(guī)、NRC要求、ASME規(guī)范要求等條款，總體要求如下：

1)應(yīng)按較低的泄漏風(fēng)險對設(shè)備進行設(shè)計；

2)應(yīng)按較低的坡口即較大泄漏風(fēng)險對設(shè)備進行設(shè)計及材料選型；

3)應(yīng)按較低的泄漏風(fēng)險對設(shè)備制造、組裝；

4)應(yīng)對設(shè)備進行科學(xué)的檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)泄漏、制定處理對策；

5)當(dāng)泄漏發(fā)生后，應(yīng)采取改進措施。

根據(jù)功能及重要性，EPRI將核電廠接頭分為3級：

一類接頭：包括一回路系統(tǒng)、核安全、放射性相關(guān)系統(tǒng)；

二類接頭：包括二回路給水、汽機、發(fā)電、冷凝相關(guān)系統(tǒng)；

三類接頭：包括BOP相關(guān)系統(tǒng)。

針對不同級別的設(shè)備泄漏，根據(jù)泄漏量及嚴(yán)重度，建議采取不同的對策，見表3、表4。

表3 根據(jù)泄漏嚴(yán)重程度的分級(EPRI)Table 3 Grading according to the severity of leakage

表4 泄漏處理標(biāo)準(zhǔn)

3.2 硼結(jié)晶處理標(biāo)準(zhǔn)及策略的制定

根據(jù)密封學(xué)對于密封度的定義[1]，雖然理論上靜密封可能做到零泄漏，實際上要做到零泄漏不僅技術(shù)上特別困難，而且投入成本非常高。核電廠設(shè)計規(guī)范并非要求不能有泄漏，而是說不能有不正常的泄漏。通過3.1節(jié)EPRI對于泄漏的分級及處理標(biāo)準(zhǔn)，一類接頭產(chǎn)生穩(wěn)定的微量泄漏時，處理策略為狀態(tài)監(jiān)測，大部分硼結(jié)晶都屬于這個范疇。

基于上述前提，核島硼結(jié)晶問題的處理標(biāo)準(zhǔn)需要從如下幾個維度進行統(tǒng)籌考慮制定：

1)需要考慮壓水堆核電廠對于硼水回路設(shè)備的密封等級要求；

2)需要考慮硼結(jié)晶腐蝕特性的影響，要避免硼結(jié)晶腐蝕；

3)需要結(jié)合機組運行狀態(tài)及不同設(shè)備而進行針對性的考慮處理策略；

壓水堆核電廠運行狀態(tài)分為日常運行和機組大修：

日常運行期間，系統(tǒng)帶介質(zhì)壓力運行，隔離檢修條件比較苛刻，所以對于日常運行期間硼結(jié)晶處理標(biāo)準(zhǔn)主要考慮硼結(jié)晶的腐蝕影響以及硼結(jié)晶發(fā)展趨勢控制兩個方面進行衡量。因此日常硼結(jié)晶的處理標(biāo)準(zhǔn)以硼結(jié)晶到達設(shè)備緊固件位置或連續(xù)3/4圈存在硼結(jié)晶為邊界，并結(jié)合具體問題的影響進行考慮處理方案。

大修期間，系統(tǒng)會進行排空檢修，但是由于機組運行了一個周期(1年或者1年半)，硼結(jié)晶處理策略需要有一個具體量化的標(biāo)準(zhǔn)。通過調(diào)研論證，大修硼結(jié)晶的處理標(biāo)準(zhǔn)以盤根密封1 g、墊片密封2 g、活結(jié)密封以硼結(jié)晶一圈為邊界，并結(jié)合具體問題的影響考慮處理方案。(備注：根據(jù)3.1節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，泄漏等級為2級、介質(zhì)為水的接頭泄漏標(biāo)準(zhǔn)為小于1滴/5 min，按此標(biāo)準(zhǔn)換算2 300×10-6硼水泄漏量為小于725.3 g/年。核級柔性石墨金屬纏繞墊的泄漏率標(biāo)準(zhǔn)為小于1×10-4g/s[4]，按此標(biāo)準(zhǔn)換算2 300×10-6硼水泄漏量產(chǎn)生硼結(jié)晶量為7.25 g/年。上述的泄漏量都遠高于硼結(jié)晶的處理標(biāo)準(zhǔn)。)

通過以上的分析論證，針對壓水堆核電廠核島設(shè)備的硼結(jié)晶處理標(biāo)準(zhǔn)及對策如表5所示。

表5 壓水堆核電廠核島硼結(jié)晶處理標(biāo)準(zhǔn)及對策

3.3 應(yīng)用情況及改進方向

上述硼結(jié)晶處理策略已在國內(nèi)多個壓水堆核電廠日常及大修實踐活動中進行應(yīng)用，未出現(xiàn)因為硼結(jié)晶問題造成機組被迫停機停堆案例及重大設(shè)備異常案例，進一步驗證了策略的適用性及有效性。

從根源上減少硼結(jié)晶問題的出現(xiàn)，可以采取進一步的措施：

1)對于頻繁出現(xiàn)硼結(jié)晶的設(shè)備，通過替代手段，尋找密封等級更高的密封件(盤根/墊片)[5-7]替換現(xiàn)場密封等級低的密封件；

2)對于密封件老化問題，根據(jù)設(shè)備重要程度，制定預(yù)防性解體或者校驗力矩大綱；

3)結(jié)合密封技術(shù)的發(fā)展，通過改造手段，改變設(shè)備密封形式或者減少可能泄漏點的設(shè)備。

4 結(jié)論及建議

在核電廠運行維護過程中，核島硼結(jié)晶問題是一個常見的問題。硼結(jié)晶的腐蝕問題需要得到充分重視，尤其是對于碳鋼及低合金鋼部件的影響較大。根據(jù)核電廠設(shè)計制造及運營規(guī)范對于密封性的要求，少量且穩(wěn)定的硼結(jié)晶問題是可以接受。硼結(jié)晶處理標(biāo)準(zhǔn)需要結(jié)合行業(yè)法規(guī)、密封技術(shù)水平及使用場合等因素進行分級制定。對于硼結(jié)晶的應(yīng)對策咯應(yīng)以狀態(tài)監(jiān)測作為主線，以減少甚至杜絕硼結(jié)晶為最終目標(biāo)，針對不同類別的設(shè)備進行專題研究制定改進措施。