鈉冷快堆蒸汽發生器換熱管在役檢查驗收和堵管準則探討

鄒廉列，牛 犇，賈鈞森，謝澤陽，卓光銘

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

0 引言

600 MW示范快堆(以下簡稱CFR600)設計和建造采用 ASME BPVC 第Ⅲ卷核設施部件建造規則，其在役檢查遵照ASME BPVC 第Ⅺ卷核電廠部件在役檢查規則[1]，其中液體金屬及其覆蓋氣體的系統和部件按ASME BPVC 第Ⅺ卷第三分冊要求執行，但第三分冊的檢查和試驗規則尚不完善，未建立相應的驗收準則。因此，CFR600國產蒸汽發生器在役檢查缺乏在役檢查驗收準則，必須根據自身的設計、制造特點，制定適用于我國的示范快堆蒸汽發生器在役檢查要求和驗收準則。

1 CFR600國產蒸汽發生器結構及工藝特點

蒸汽發生器(簡稱SG)是示范快堆主熱傳輸系統的主設備之一，直流式結構。其主要功能是實現二回路(液態鈉載熱劑)和三回路(水/蒸汽)之間的換熱，使給水經過加熱后，成為汽輪發電機所需的蒸汽，同時隔離鈉和水介質，其設計結構如圖1、圖2所示。

圖1 示范快堆蒸汽發生器示意圖Fig.1 The schematic of the steam generator of the demonstration fast reactor

圖2 蒸汽發生器簡圖Fig.2 The schematic of the steam generator

CFR600二回路主冷卻系統設兩條環路，每條環路上設置8臺蒸汽發生器模塊，每臺由蒸發器和過熱器組成(中間鈉管道連接)，其運行參數如表1所示。換熱管是蒸汽發生器的核心部件，采用2.25Cr1Mo鋼(T22)，具有較好的耐熱性和換熱效率，與冷卻劑具有較好的相容性。

2 SG換熱管在役檢查驗收準則和堵管準則

CFR600國產SG的設計壽命為20年。為了確保SG換熱管的安全運行，不僅要具備成熟有效的缺陷檢測技術，還要對含缺陷換熱管建立安全評定判據和堵管條件。根據中國原子能科學研究院編制、發布的《600 MW 示范快堆在役檢查大綱》[2]，針對SG換熱管不同類別缺陷，采用目視檢查和遠場渦流的檢測方法。由于SG換熱管屬于鐵磁性材料，采用遠場渦流實施體積檢查是成熟、有效的無損檢測手段，針對蒸發器換熱管腐蝕穿孔以及蒸發器/過熱器換熱管外部磨損的源發缺陷均可針對性有效檢出。但是ASME規范中未對鈉冷快堆SG換熱管驗收做出規定，國內尚無可參考類似工況設備運行管理經驗，換熱管遠場渦流驗收準則尚且無法確定。

2.1 SG換熱管允許減薄量有限元分析

根據運營單位項目組的要求，設計單位參考NB/T 20244—2013壓水堆核電廠SG換熱管堵管導則中非穿透性缺陷堵管準則確定原則[3]，采用有限元分析方法計算了 CFR600 蒸發器與過熱器換熱管最小允許壁厚。通過換熱管的規格、材料，遵循換熱管結構完整性設計準則，確定了最小允許壁厚，使其在正常運行工況和假象事故工況下具有足夠的安全裕量。確定最小壁厚所使用的安全系數與 ASME 規范所規定的安全系數一致，且確定最小允許壁厚所采用的分析方法應符合SG設計規范有關規定。在SG設計壽期內，有限元分析得出的結果：

1)蒸發器換熱管最小允許壁厚為1.8 mm(減薄28%)；

2)過熱器換熱管最小允許壁厚為 2.2 mm(減薄27%)。

2.2 SG換熱管堵管準則

按EPRI 有關SG完整性評價要求開展換熱管爆破試驗，確定快堆SG換熱管結構性能準則的安全評定判據(即堵管準則)，要求在運行工況下換熱管具有足夠的安全余量使換熱管不發生爆破或垮塌失效，須滿足如下條件：

1)正常穩態滿功率穩態運行時，為防止SG換熱管在二次側和三次側壓差下破裂，安全系數取3.0；

2)在設計基準事故時，防止SG換熱管在二次側和三次側壓差下破裂，安全系數取1.4。

根據CFR600 1號機組SG設計規格書[5]，管程和殼程最大壓差為15.4 MPa，3倍運行壓力差為46.2 MPa；試驗工況的最大壓差為 20.48 MPa，1.4倍評價壓力為28.7 MPa。因此，在后續評價中，取46.2 MPa限值計算。

(1)溫度

根據CFR600 1號機組SG設計規格書[4]，SG發生器的最高溫度為515 ℃，因此，后續材料性能測試、材料性能確定和爆破試驗溫度取值不能低于515 ℃，本試驗取溫度520 ℃進行測試和分析。

(2)缺陷類型

根據換熱管失效機理分析，換熱管降質主要分為兩類：

1)裂紋類缺陷。通常，當換熱管存在裂紋時，易導致裂紋穿透及快速失穩，導致鈉的泄漏，因此發現裂紋時必須實施堵管。故本試驗不涉及裂紋類缺陷堵管準則。

2)磨損類缺陷。當換熱管與格柵板存在相對運動時，在支撐部位易產生磨損，由于換熱管兩端與管板焊接在一起，不易發生軸向位移，支撐部位的磨損長度不大于格柵板厚度。

(3)磨損長度

格柵板有14 mm和18 mm兩類，根據調研，在相同缺陷深度時缺陷長度大則其爆破壓力較小，保守起見本試驗針對長度為18 mm磨損類缺陷開展，如圖3所示。

圖3 換熱管支撐結構Fig.3 The support structure of the heat exchanger tube

(4)磨損形貌

換熱管和柵格板為圓形接觸，考慮到裝配間隙和振動條件的影響，其磨損形貌一般為月牙形，如圖4所示。

圖4 換熱管磨損缺陷形式示意圖Fig.4 The schematic of the wear defect of heat exchanger tubes

2.2.1 高溫爆破壓力試驗

試驗溫度：試驗控制溫度為520 ℃。弧形缺陷尺寸：長度L=18、深度20%TW～80%TW，如圖5所示。 試驗類型：內壓試驗。

圖5 待測試樣Fig.5 The sample to be tested

針對20%TW～80%TW缺陷管，開展了換熱管高溫爆破試驗(如圖6所示)，獲得了高溫爆破壓力(如圖7所示)。

圖6 爆破后試樣Fig.6 The sample after blasting

圖7 格柵板磨損缺陷爆破壓力圖7 The blasting pressure of the grid plate wear defect

根據材料的拉伸強度和屈服點數據以及容器的幾何尺寸，運用減薄型缺陷的爆破壓力關系式進行擬合，結果如圖8所示。

圖8 格柵板磨損缺陷爆破壓力與缺陷尺寸的關系Fig.8 The relation between the blasting pressure and the defect size of the grid plate wear defect

考慮到T22材料在長期高溫運行環境下，其強度隨運行時間發生變化，ASME BPVC Section II NH篇給出了T22材料性能隨運行時間的變化[5]，通過線性插值求得 T22 材料20年的(520 ℃)屈服強度減弱系數為原來的0.84，(520 ℃)抗拉強度減弱系數為0.80，如圖9所示。

圖9 T22材料強度減弱關系Fig.9 The strength weakening relation of T22 material

最終得出：φ16×2.5換熱管20年壽期內帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的51%，即1.275 mm，那么最小剩余壁厚≥1.225 mm。由于換熱管的承壓能力與壁厚呈線性關系，對于壁厚3.0的換熱管而言，20年壽期內的最小剩余壁厚須≥1.225 mm，也就是說，φ16×3.0 換熱管20年壽期內最大允許壁厚減薄為1.725 mm，即3.0壁厚的換熱管最大允許缺陷為壁厚的59%。

3 結論

1)基于有限元計算的結果，蒸發器換熱管最小允許壁厚減薄28%；過熱器換熱管最小允許壁厚減薄27%，可以作為SG換熱管的在役檢查驗收準則。

2)基于結構完整性評價的爆破試驗結果，設計壽期內φ16×2.5帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的51%，φ16×3.0帶缺陷換熱管的最大允許缺陷為壁厚的59%，可以作為SG換熱管的堵管準則。

3)CFR600在役檢查驗收準則相對于壓水堆SG換熱管的渦流驗收準則壁厚損失小于等于40%是保守的，從設計的安全角度有保證。CFR600堵管準則相對于俄供SG對換熱管渦流驗收標準允許換熱管金屬不連續性深度小于換熱管額定壁厚的60%不允許小于87%是保守的，作為堵管準則是合理的。