三門核電二回路腐蝕產物取樣優化及應用

苗麗 鐘鐵 李春亮

(三門核電有限公司 化學處，浙江 臺州 317100)

0 引言

電站運行后，隨給水遷移至SG 的腐蝕產物和雜質，以及SG 自身產生的腐蝕產物，會在蒸汽發生器管板、傳熱管表面、支撐板縫隙等區域沉積、結垢。沉積的腐蝕產物會影響SG 傳熱管的傳熱效率，同時也會形成惡劣的縫隙化學環境，加劇傳熱管腐蝕，影響SG 傳熱管的完整性。因此，電站有必要監督給水及SG 排污水中腐蝕產物含量，以判斷給水腐蝕產物向SG 的遷移量以及SG 內水化學環境，同時也是評估SG 進行機械或化學清洗必要性依據之一。

三門核電二回路取樣系統設計上有兩套腐蝕產物取樣裝置，分別為SG 排污腐蝕產物取樣裝置及給水腐蝕產物取樣裝置。兩套腐蝕產物取樣裝置均布置于二回路集中取樣間(遠離常規島第一跨)。在1 號機組熱態試驗期間，化學人員經過計算發現SG 排污取樣管線和給水取樣管線過長、過粗，導致取樣水流速低于行業導則要求的1.5～2.1m/s，使得SG 排污和給水腐蝕產物取樣缺乏代表性。最終通過變更SG 排污和主給水腐蝕產物取樣點位置、取樣管線管徑后，確保了腐蝕產物取樣的代表性。1 號機組首循環期間，給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置自2018 年6 月7 日開始投運，截止2019 年11 月13 日，累計收集75 次樣品，精確計算了SG 二次側腐蝕產物累積量，為優化二回路水化學控制策略提供依據。

1 對腐蝕產物樣品的監督要求

二回路中腐蝕產物主要以顆粒物形態存在，大部分為鐵的金屬氧化物。雖然顆?？梢跃鶆虻胤植荚诹黧w中，但會在取樣管線表面沉積并長期連續釋放，從而影響取樣的代表性(1)。另外，機組正常運行時給水系統腐蝕產物濃度一般都很低，一般需要分析累積樣品，確保分析結果的準確性。

EPRI 二回路水化學導則第7 章明確規定，為了提高獲得有代表性樣品的可能性，應考慮：(1)取樣管線應盡可能短和減少彎頭數量；(2)建議取樣流速為6fps(英尺/秒)，或使用1/4 英寸取樣管道。

ASTM D 6301-03(水中可濾和不可濾物質樣品采集的標準實施規范)6.5 章明確要求：取樣管線流速過低會導致樣品中物質沉降或沉積，因此，取樣管線必須維持湍流且流速維持在1.5-2.1m/s。

2 原設計給水及SG排污腐蝕產物取樣存在的問題

隨給水向SG 遷移的腐蝕產物總量主要通過腐蝕產物取樣裝置進行取樣、分析、計算。在腐蝕產物取樣裝置過濾器上放置一張已恒重的0.45μm 濾膜，調節一定流量的主給水通過濾膜，腐蝕產物被濾膜截留，一定時間(通常為每周)后更換濾膜，對舊濾膜溶解后測量Fe 含量，表征腐蝕產物總量。具體流程如圖1 所示。

圖1 腐蝕產物取樣流程示意圖

3.1 取樣流速不滿足行業導則要求

二回路取樣系統原設計中SG 排污取樣管線設計為DN25(Φ32×3)，材質為S30403，管道長度約170m，；主給水取樣管線設計為DN10(Φ16×3)，材質為S30403，管道長度約150m。1 號機組熱態補充試驗期間，化學人員通過讀取分析儀表入口流量計讀數、估算就地取樣流量結合管道長度，計算得出SG 排污和給水樣品流速分別為0.034m/s、0.12m/s，取樣延時分別為84 分鐘和12 分鐘，具體計算數據見表1，和EPRI 導則及行業導則對腐蝕產物測量的流速要求相差甚遠，影響取樣代表性，進而影響對SG 和給水管道腐蝕狀態的判斷。

表1 SG排污及給水取樣流速信息表

3.2 腐蝕產物取樣裝置密封性差

三門核電二回路原設計給水及SG 腐蝕產物取樣裝置位于二回路集中取樣間，型號為Millipore 廠家管線內換膜過濾器，材料為聚丙烯，尼龍手輪旋鈕，具體如圖2 所示。該裝置要求使用的濾膜為密理博 HAWPO4700(0.45um)，流體最高溫不能超過55℃，建議在50℃下使用。濾膜的推薦過流量為60ml/min·cm2，實驗室實際使用過程中控制流量不超過200ml/min。該腐蝕產物取樣裝置實際使用過程中多次發生聚丙烯過濾器變形、密封性變差導致裝置漏水情況，影響對流經腐蝕產物取樣裝置累計流量的統計，影響SG 二次側腐蝕產物累積量統計的準確性。

4 給水及SG排污腐蝕產物取樣優化方案

在發現原設計給水及SG 排污取樣管線過長、過粗，導致取樣水流速過低、取樣延遲時間長，影響對給水及SG 排污腐蝕產物監測的準確性，進而影響對給水及SG 管道腐蝕狀態的判斷問題后，化學人員在2017 年對給水及SG 排污腐蝕產物取樣提出變更需求，最終對原設計給水及SG 排污腐蝕產物取樣方式進行了如下優化：

(1)新增一套給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置，原裝置棄用。新裝置就地布置，布置在汽輪機廠房0.00m 層，給水取樣高溫高壓架一側(臨近第一跨)。新裝置為成套設備，冷卻水通過的管道、冷卻器、閥門、測量池、管接頭及其它部件均為不銹鋼S30403 材質，保證了腐蝕產物取樣裝置的可靠性。新裝置如圖3 所示。

圖2 給水及SG腐蝕產物取樣裝置示圖

(2)將SG 排污取樣管線管徑由DN25(Φ32×3)改為DN8((Φ12×2)，并引一路取樣管DN6(Φ10×2)至就地SG 排污腐蝕產物取樣裝置。

(3)將高加出口總管取樣管在止回閥之后的管徑，由DN10(Φ16×3)改為DN6 (Φ10×2)，并引一路取樣管線至就地給水腐蝕產物取樣裝置。

圖3 優化后給水及排污腐蝕產物取樣裝置圖

變更完成后，經化學人員就地取樣驗證，取樣流速約2m/s,保證了腐蝕產物取樣的代表性。。

5 給水及SG腐蝕產物取樣裝置應用

5.1 隨給水遷入SG的腐蝕產物統計

三門核電1 號機組運行期間，腐蝕產物總量計算以機組燃料循環周期進行，除氧器開始向SG 供水后投運給水腐蝕產物取樣裝置，開始收集給水腐蝕產物，SG 建立連續排污后投運SG 排污腐蝕產物取樣 裝置，開始收集SG 排污腐蝕產物，在開始停堆大修，主給水、排污樣品斷流后結束，期間以周為單位(7天)收集給水、SG 排污中的腐蝕產物。根據EPRI 二回路水化學導則的建議以及參考美國同行電站的經驗，腐蝕產物總量計算時以鐵含量的計算結果為準，計算公式如下：

式中：F給水為單臺SG 周累積給水流量，t；CFe-給水為當周給水Fe 含量(腐蝕產物收集裝置的測量結果)，μg/L；CFe-排污為當周排污Fe 含量(腐蝕產物收集裝置的測量結果)，μg/L；F排污為單臺SG 周累積排污流量，t；m為某一個燃料循環內單臺SG 內累積的腐蝕產物量，g；m給水為某一個燃料循環內給水遷移至單臺SG 二次側腐蝕產物周累積量，g；m排污為某一個燃料循環內單臺SG 排污腐蝕產物周累積量，g。

1 號機組首循環期間，給水及SG 排污腐蝕產物取樣裝置自2018 年6 月7 日開始投運，截止2019 年11 月13 日，累計收集75 次樣品，根據公式(1)、(2)、(3)使用膜溶解后的鐵含量進行計算，鐵遷移至SG 累積的量為459.8 公斤。

5.2 101大修SG管板沖洗泥渣量統計

三門核電101 大修期間對1 號機組兩臺SG 進行了150bar手孔直槍沖洗以及手孔斜槍沖洗，兩臺SG 二次側管板共沖出濕泥渣30.074kg，濾芯烘干后，干泥渣總重為6.495kg。其中SG A 沖出濕泥渣重14.095kg，干泥渣重2.521kg；SG B 沖出濕泥渣重15.979kg，干泥渣重3.974kg。

5.3 首循環SG內部沉積腐蝕產物評估

根據隨給水遷入SG 的腐蝕產物統計量和SG 管板沖洗泥渣量統計結果，1 號機組首循環SG 內部沉積的腐蝕產物的量為453.3kg(采用鐵含量進行計算)。

三門核電二回路目前采用聯氨-氨全揮發控制模式，第一燃料循環受制于凝結水精處理系統(CPS)未完全退出影響，給水pH 值控制在9.5 左右，由于氨的汽液分配比不均衡，導致疏水系統pH 值僅為9.0 左右，給水及疏水鐵含量變化趨勢如圖4所示。從碳鋼材料腐蝕速率隨pH 值變化曲線可以看出pH 值對碳鋼的腐蝕速率影響很大，疏水系統pH 值過低，增加了系統管道設備的流動加速腐蝕風險。二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢如圖4 所示。

圖4 二回路給水及疏水鐵含量變化趨勢

從圖4 可以看出，第一燃料循環，給水鐵含量維持在5ppb左右， MS 疏水Fe 含量維持在20-30ppb，為給水腐蝕產物的主要來源。

根據SG 的結構判斷，腐蝕產物可能沉積的區域包括泥渣收集器、支撐板、管熱管和管板區域。其中由于SG 傳熱管面積大，絕大多數腐蝕產物沉積在SG 傳熱管表面。

AP1000 單臺SG 中包含100025 根傳熱管，傳熱面積11477平方米，傳熱管壁厚為1.04mm。按照之前的計算，首循環單個SG 中沉積的腐蝕產物226kg，假定這些腐蝕產物全部均勻沉積在傳熱管表面，將導致傳熱管增厚2.5um，從當前運行數據看沒有對傳熱效率造成影響。B&W 推薦當SG 中沉積物量達到10-14 克/每平方英尺之間時，需對SG 傳熱管表面執行化學清洗。按照我廠的傳熱管面積估算，總累計量約為3000kg 時，才需要進行化學清洗，目前不需要對SG 進行化學清洗。

6 二回路水化學控制策略優化方向

核電廠投入運行后，二回路系統設備材料已經確定，無法通過大規模材料優化來降低設備腐蝕，減少向SG 內遷移沉積。所以對于運行的核電站二回路的腐蝕控制只能通過化學手段來實現，這主要包括兩個方面，一是優化當前二回路熱力系統化學控制模式，盡可能地降低二回路系統設備的腐蝕，最大限度地降低腐蝕產物向SG 遷移；二是通過添加分散劑和化學清洗等手段，將沉積在SG 內的腐蝕產物除去。

6.1 二回路采用替代胺pH控制模式

三門核電目前正在開展二回路替代胺可行性研究，開展聯氨-氨-乙醇胺(ETA)控制模式優化工作。ETA 由于其較低的汽液分配比(2)，若其替代氨作為二回路系統堿化劑，可以實現二回路各子系統的pH 值均勻分布，提高疏水系統pH 值，減緩二回路系統汽水界面區域發生FAC，減少腐蝕產物向蒸汽發生器的遷移，達到降低蒸汽發生器內部腐蝕產物沉積目的。

6.2 向SG中添加分散劑

分散劑聚丙烯酸(PAA)是帶有負電荷的合成聚合物或天然有機物，可以吸附在腐蝕產物的顆粒表面及已經形成的垢層表面上，使它們帶有相同的電荷而產生斥力，從而抑制沉積物的形成過程，增強腐蝕產物顆粒在水中懸浮能力，從而通過排污除去，從而達到減少沉積量。根據國際上使用分散劑的核電站經驗，添加分散劑具有：降低SG 積污率、提高SG 熱效率、減少機組啟動時鐵的遷移、提高SG 水力沖洗效果等優點。目前國外添加分散劑的方式主要有機組大修停運前及SG 濕保養添加、機組啟動過程二回路大循環時添加以及機組正常運行期間連續添加三種方式(3)。

根據國外核電站應用經驗，結合三門核電首循環SG 內沉積腐蝕產物總量及101 大修水力沖洗沖出腐蝕產物總量，建議三門核電選擇在機組大修停運期間及SG 濕保養添加分散劑的應用方式。該方式有助于增加停運期間SG 內沉積的腐蝕產物排出，同時為SG 水力沖洗SG 內沉積的硬垢去除創造條件。三門核電后續還需開展材料的兼容性試驗和評估及PAA 濃度分析方法建立。

7 結語

三門核電通過變更對SG 排污和主給水腐蝕產物取樣進行優化，確保了腐蝕產物取樣的代表性，并在機組首循環期間進行了成功應用，通過統計1 號機組首循環內隨給水引入和隨排污帶出SG 的腐蝕產物的量，并結合101 大修期間水力沖洗去除的腐蝕產物的量，計算出殘留在SG 中的腐蝕產物的量，據此評估明確了后續二回路水化學控制策略優化方向。