核電裝置換熱器的失效分析及其解決對策

鄒時晨 劉鳳英

摘要：我國核電事業處于高速發展的階段，而我國的核電事業之所以能夠有如此發展，歸功于我國核電事業的結構、系統和部件的安全。從我國各層級科學家們的努力來看，為了保障我國核電事業的穩定前進，付出了不少的努力。眾所周知，核電系統的正常運行以及安全關乎到核電工作能否正常進行，而循環水系統是核電系統的一個關鍵組成部分，里面的換熱器更是關系到降溫問題，一旦換熱器出現故障，很有可能會造成放射性廢棄物的泄漏。本文對我國核電站RCW系統換熱器的一根多次泄漏的換熱管進行了失效分析，探索分析了換熱器失效的解決對策。

關鍵詞：核電裝置;換熱器;失效分析;解決對策

一.引言

中國核電事業的蓬勃發展離不開其在確保結構、系統和部件安全方面的巨大努力，為此，除了對即將到來的第三代反應堆進行優化設計和改進建設外，還著重對運行中的反應堆進行在役檢查、在線監測、定期試驗和故障分析等，以便對運行中的反應堆進行有效和高效的老化管理[1]。循環冷卻水系統作為冷卻系統中的一種，利用海水作為慢化劑的最終散熱器，其重要性不及核島系統。然而，這個系統中的設備和部件的安全，當然也包括防噴器中的其他系統，仍然值得特別注意。它們一旦發生故障，不僅會造成大修停工造成的經濟損失，而且還可能引發放射性廢物污染海水的潛在社會恐慌。

二.核電裝置換熱器研究現狀

本文對我國核電站RCW系統海水換熱器泄漏的大量鈦管進行了綜合失效分析，確定了其失效的根本原因是伽伐尼腐蝕、縫隙腐蝕、氫氣泡和氫脆等電化學腐蝕與堵塞、微動和表面損傷等機械退化的協同作用。隨后，操作人員迅速采取了所提出的反措施，從此證明是完全有效的。然而，一些單獨的管子被發現幾年后再次泄漏。雖然每臺換熱器的管數為4932個，泄漏率的可接受限度一般為5%，不會影響換熱器的正常運行，但為了確保該核電站的“絕對安全”概念，仍有必要進行故障原因分析。為此，本文對該核電站RCW系統換熱器的一根多次泄漏的換熱管進行了失效分析。

三.失效數值分析與對策

3.1.目視觀察

在核電站的RCW系統中，共有8套水平管殼式換熱器，尺寸為φ2400×15，000mm。該換熱器配有4932根尺寸為φ19×14，630×0.71mm的換熱鈦管，其中外殼側輸送淡化海水，管側輸送海水。實際上，管子在檢測到泄漏后就立即又被堵塞了，這一定是某種沉積物淤積的原因。然后，又將泄漏的管子從管板中抽出并進行部分切割以便研究，從中可以清楚地觀察到泄漏的情況。

3.2調查方法

為了找出泄漏管道的故障原因，我們采用了一系列的角色塑造方法從現場采集樣品。對于管道本身，除了用光學顯微鏡（OM）觀察其宏觀形貌外，還用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析了管道斷口的微觀形貌和微區化學成分。在塞子方面，采用光電直讀光譜儀檢測基體材料的化學成分。此外，沉積物用屬性X射線熒光光譜儀（XRF）和x射線衍射（XRD）測定其組分。

四.結果與討論

4.1.基材檢驗

由于這些RCW熱交換器中的鈦管在我們以前的工作中已經確認合格，所以這次只檢查了塞子。塞子由一個螺釘和兩個螺母組成，所有螺母都已腐蝕。然后，對這三個部分的化學成分進行了檢測。這三個部分的化學成分基本符合ISO 3506-1和 ISO 3506-2標準中 a 3級奧氏體不銹鋼的要求（分別相當于中國 GB/t 3098.6和 GB/t 3098.15標準），接近于 ASTM A193/A193M標準中的304奧氏體不銹鋼。但螺桿中鉻的含量低于要求，這可能是三種螺桿中鉻腐蝕最嚴重的原因。

4.2傳播環境分析

沉積物主要含有硅、氧化鋁和來自海水的鹽類，以及鐵氧化物，這是由于RCW系統中鐵基設備的腐蝕造成的。通過x射線衍射分析，可以確定，雖然沉積物中的成分非常復雜，但主要的兩個成分是天然海砂SiO2和腐蝕產物氧化鐵-氫氧化鐵FeO（OH），與XRF結果一致。特別值得注意的是，由于沉積物中沒有檢測到鈦，管道可能沒有發生腐蝕。

4.3顯微形態觀察

利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀等分析手段，對泄漏管的斷裂進行了詳細分析。如圖1所示，在斷裂處存在三種形態，包括切邊、卷曲條和鹿角形，在下文中將簡稱為a.b和c。此外，可以了解到，破裂的邊緣已經變薄，管的內壁覆蓋著棕色的銹蝕，而外壁是光亮的，沒有任何腐蝕的跡象。清楚地表明管壁厚度的變薄是從管的內壁開始的，變薄邊緣的寬度約為0.5mm。在薄的邊緣上存在著不同機制造成的各種退化痕跡，包括顆粒碰撞、流體侵蝕、磨料侵蝕、基材脫落等，表明這一地區的使用條件非常復雜。經過放大，我們還可以發現這些痕跡甚至伴隨著微裂紋。然后，為了進一步研究，用EDS檢測了這些降解痕跡的微區化學成分，不難推斷，這應該是腐蝕產物、天然海沙、海鹽和來自沉積物的橡膠碎片的混合物。特別是，這些顆粒還作為介質誘導沖擊和磨料侵蝕，最終導致基體材料脫落，并導致相似的微區化學組成。

根據前人的工作[2，3]，從電化學腐蝕和機械退化兩個方面分析了造成這些RCW換熱器鈦管泄漏的原因。由于x射線熒光光譜儀和x射線衍射儀在沉積物中沒有檢測到鈦元素，也就是說，沒有發現腐蝕的證據。因此，本文提出的防止電化學腐蝕的對策一方面是有效的，另一方面應重點關注機械腐蝕。經咨詢實地工作人員后，我們了解到，這個問題基本上是不可避免和補救的，因為目前沒有可行和有效的方法找出嵌入機械損壞直至穿孔地在用管。讓我們回顧一下上面提到的破裂的不同形態。顯然，它們是由于管道內壁局部表面幾何變化引起的湍流，而不是由于直線流動的純粹侵蝕，例如拉絲頭存在預先存在的損傷。當湍流形成時，這些位置將發生渦蝕，其程度是純侵蝕的數倍，通常會產生各種各樣的侵蝕痕跡。目前認為，某些鈦管拉拔頭內壁的機械損傷實際上是引起湍流的最初原因，從而導致多種機械破壞機制，形成多種形貌。

五.結束語

綜上所述，不難看出核電裝置換熱器的失效的原因非常多，但是基本可以概括為電化學腐蝕和機械退化兩個方面，要解決這些問題，應從設備的運行環境，日常維護和檢修等方面著手，避免此類問題的發生。相關運行人員也應密切觀察核電裝置換熱器的運行情況，及時對故障進行排查，才能確保核電工作的安全進行。

參考文獻

[1]李曉青.蒸餾裝置換熱器腐蝕失效分析與對策[J].石油化工設計，2013（01）：35-36.

[2]姜媛媛，劉飛華，白榮國，等.核電站換熱器腐蝕失效原因分析[J].全面腐蝕控制，2012（11）：63-66.

[3]徐鑫.換熱器在核電站的應用及其性能分析[J].工程技術（文摘版），2016（8）：00109-00109.