高溫氣冷堆陶瓷堆內構件熱老化試驗平臺開發

林澤泉，王慶武，詹英杰，遆文新，彭群家，龔兵

（1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312）

球床式高溫氣冷堆具有良好的固有安全性和經濟性，在電力生產和工藝熱利用等方面具有廣闊的應用前景[1]，其壓力容器、蒸汽發生器等主要設備的結構及運行環境等方面，與目前運行的壓水堆核電站存在顯著差異，亟需開展關鍵部件的熱老化規律研究。陶瓷堆內構件是高溫堆本體的重要部件之一，運行中同時受溫度、輻照、應力和腐蝕等因素的影響[2-5]。高溫堆冷卻劑氦氣雖是惰性氣體，但由于堆內構件吸附空氣、燃料元件氣相裂變產物遷移、水蒸氣漏入、新氦雜質攜帶等因素會引入一定量雜質[6]，其中H2O、O2等在一定條件下會與石墨、碳磚發生化學反應，導致其物理和力學性能發生變化[7-10]，影響服役壽命。研究表明，當石墨材料氧化8%時，楊氏模量和抗壓強度會降低40%，抗彎強度會減小55%[11]，在氧化質量損失率達到7%時，石墨材料的抗拉強度減小達50%[12]。石墨與氧化性氣體反應的研究主要集中在石墨與氧氣、水、二氧化碳的反應[13-17]和石墨的氧化動力學行為[18-22]。對于高溫氣冷堆，另一項主要風險來源于蒸汽發生器的換熱管破裂引起的進水事故，當換熱管破裂后，管內的水與水蒸氣將迅速進入主回路系統，并與氦氣一起被風機送入反應堆，從而導致反應堆功率及燃料元件的溫度升高。為了探索進水事故后堆內構件材料的氧化行為，當前研究主要采用計算機進行模擬[23-24]，尚無成熟的模擬事故工況環境的試驗平臺。魏明輝等[25]利用氣相色譜法實驗測量了IG-110石墨在不同溫度和不同氣體組分配比情況下的腐蝕速率及腐蝕產物，并利用軟件對石墨腐蝕過程進行了模擬。該實驗由質量流量計控制入口He 和O2混合氣體的濃度，利用石英管式高溫反應爐進行腐蝕反應，通過氣相色譜測量出口氣體濃度，總壓力為101 kPa，每次實驗持續8 h。考慮到反應堆的特殊性和復雜性，而國內外相關試驗平臺的功能較為單一，且試驗周期較短，不能很好地模擬高溫氣冷堆正常工況、事故工況下的氣體、溫度、壓力等環境條件，因此有必要開發功能更為全面的試驗平臺，模擬高溫氣冷堆長周期正常運行工況和蒸發器傳熱管破裂事故工況等試驗條件，從而更深入地對高溫堆陶瓷堆內構件的熱老化行為進行研究。

本文根據高溫氣冷堆陶瓷堆內構件服役環境特征，搭建了一套試驗平臺，可精確控制冷卻劑He 中雜質O2或H2O 的含量、試驗溫度、氣體流速等試驗參數，并采用大口徑耐高溫的GH747 鎳基合金管式爐，可進行大尺寸樣品的高溫熱老化試驗。采用該試驗平臺，通過開展冷卻劑摻雜氣體分壓、溫度和時間等對石墨、碳磚氧化腐蝕速率影響的研究，從而獲得陶瓷堆內構件氧化腐蝕行為的變化規律。同時，模擬正常運行工況下冷卻劑氣氛、溫度條件和高溫堆蒸汽發生器傳熱管破裂時的事故工況條件，開展陶瓷堆內構件在役監督模擬試樣的熱老化試驗研究，并定期取出試樣進行物理化學性能和力學性能測試，獲得正常工況和事故工況下陶瓷堆內構件物理和力學性能的變化規律，從而掌握陶瓷堆內構件的氧化腐蝕機理和熱老化機理，為高溫堆運行和推廣提供技術保障。

1 試驗平臺技術要求

本文通過分析高溫氣冷堆示范工程運行特點和老化防腐要求，以搭建試驗臺架的方式，模擬高溫堆陶瓷堆內構件不同運行工況環境，研究冷卻劑摻雜氣體分壓、溫度和時間對陶瓷堆內構件的氧化腐蝕行為和規律的影響，掌握高溫堆陶瓷堆內構件的老化機理，以及正常和特殊工況下陶瓷堆內構件物理、力學性能的變化規律，制定適用于高溫堆陶瓷堆內構件熱老化行為管理的老化管理大綱，為高溫堆運行和推廣提供技術保障。因此，所搭建試驗平臺需具備以下功能：

1）精確控制溫度及冷卻劑摻雜氣體分壓，并精準測量反應爐前后混合氣體成分的變化，從而考查溫度、氣氛、分壓、時間因素對陶瓷堆內構件氧化腐蝕性能的影響規律。

2）模擬正常工況條件，嚴格控制雜質氣體含量不超標，開展長周期熱老化試驗，從而考查時間因素對陶瓷堆內構件熱老化行為的影響規律。碳磚和石墨試樣的試驗溫度分別為370、750 ℃。

3）模擬傳熱管雙端斷裂事故工況條件下H2O 分壓變化，向反應爐中注水，并按擬定的溫度變化曲線控制反應爐溫度（最高溫度達1 027 ℃），試驗過程中采集反應氣體成分變化。

綜上所述，陶瓷堆內構件熱老化試驗平臺主要技術要求如下：

1）可在線原位監測反應和生成物氣體含量，測量精度高，檢測限滿足模擬正常工況條件下氣氛檢測要求。

2）精確控制氣體溫度和流量，模擬不同工況下堆內構件氧化腐蝕與熱老化試驗的反應條件。

3）設置氣體循環、氦氣在線凈化功能，可持續供應高純氦氣，模擬高溫堆正常工況運行環境，連續運行時間不小于3 000 h。

4）反應爐采用耐高溫合金管，反應溫度不低于1 100 ℃，且模擬事故工況環境下，反應爐承壓不小于0.5 MPa。

5）高溫反應爐的恒溫區應足夠大，可同時容納一整批次試驗樣品。

2 試驗平臺設計

根據陶瓷堆內構件氧化腐蝕及熱老化試驗要求及試驗平臺技術要求，設計了熱老化研究試驗平臺，主要部件包括：儲氣罐、氣體預熱器、高溫反應爐、氣體循環泵、氦氣純化器、純水罐、蠕動泵、真空泵、排氣冷肼、在線氣相色譜儀、在線露點儀等。其流程如圖1 所示，可根據功能劃分為反應模塊、循環模塊、控制模塊和檢測模塊。

圖1 試驗平臺流程Fig.1 Flow chart of test platform

2.1 反應模塊

反應模塊包括反應氣體預熱器及高溫反應爐。氣體預熱器采用模糊PID 控制的管式加熱器，管體及加熱管均選用310S 材質，氣體預熱溫度在100～750 ℃連續可調。通過分級加熱方式，反應氣體先經過氣體預熱器升溫至試驗溫度，再通入高溫反應爐與陶瓷堆內構件試樣反應，從而確保沒有極性的氦氣的溫度達到試驗要求，同時有利于高溫反應爐中溫度場分布均勻。

高溫反應爐采用模糊PID 控制，具有自整定調節功能。爐管及樣品支架選用GH747 鎳基合金管，具有良好的耐高溫氧化性能，加熱溫度可達1 200 ℃，承壓可達1 MPa 以上，恒溫區大小為φ250 mm×700 mm，配備2 個石英爐堵，保證恒溫區溫度穩定及防止密封圈高溫老化。爐體結構采用雙層殼體機構，帶有風冷系統，使表面溫度低于70 ℃。爐膛材料選用高純氧化鋁纖維，加熱效率高，使用壽命長。高溫反應爐具有設備安防、連鎖保護、干擾信號屏蔽和漏電保護裝置等。

2.2 循環模塊

循環模塊的核心部件為氦氣純化器，其采用納米復合催化純化劑與貴金屬合金純化劑聯合純化工藝，處理后氦氣的純度可達99.999%。結合復式結構設計，即一塔工作吸附雜質氣體，另一塔反應抽真空脫附，并選用BA 級316L 不銹鋼管道和316L 不銹鋼電解拋光高純閥門，確保氦氣純化器長期可靠運行。

2.3 控制模塊

控制模塊用于反應氣體的配置，選用高精度5、0.1 L/min 范圍流量控制器分別控制氦氣和氧氣按比例在儲氣罐中充分混合，使得氧氣分壓在1～25 kPa連續可調，從而考察摻雜氣體分壓對陶瓷堆內構件氧化腐蝕速率的影響。選用0.001～10 mL/min 范圍蠕動泵控制注水量，進入預熱器中瞬時汽化，并與氦氣混合，使得水分壓在1～365 kPa 范圍內連續可調，從而模擬高溫堆蒸汽發生器傳熱管破裂進水，開展事故工況條件下陶瓷堆內構件熱老化研究。

2.4 檢測模塊

檢測模塊選用高精度在線氣相色譜儀和冷鏡式露點儀，通過兩者聯用，可實時監測高溫反應爐出口處H2、CO、CO2、CH4、N2、O2、H2O 的含量。

在線氣相色譜儀，型號為Trace 1300，采用雙通道設計，配置1 個PDD 檢測器用于檢測H2、CO、CO2、CH4、N2的含量，1 個TCD 檢測器用于檢測O2的含量。H2、CO、CO2、CH4、N2的檢測限為4×10-6（體積分數），N2、O2的檢測限為1.5×10-6。

在線露點儀，型號為Optidew 501，采用冷反射鏡混合傳感器，提供快速動態響應，露點精度為±0.15 ℃，溫度精度為±0.1 ℃，響應時間為1 min，檢測范圍為-40～120 ℃。

3 試驗平臺運行試驗

3.1 試驗內容及材料

高溫反應爐長周期溫度控制穩定性、氦氣純化系統運行可靠性、氣相色譜儀在線測量準確性是陶瓷堆內構件氧化腐蝕和熱老化試驗的關鍵重要因素，因此試驗平臺運行試驗圍繞該3 方面進行各項功能驗證。試驗材料選用高溫氣冷堆堆內構件用碳磚材料、石墨材料，即標準含硼碳磚材料（B4C 質量分數為5.0%）和 IG110 牌號石墨材料；試驗氣體為高純氦氣（99.99%）和高純氮氣（99.99%）。

3.2 試驗條件及要求

1）根據高溫堆正常工況條件下碳磚和石墨運行環境溫度、事故工況條件下高溫堆內環境溫度，選取370、750、1 027 ℃作為試驗溫度。試驗過程為：先從室溫升溫至370 ℃，恒溫48 h；然后升溫至750 ℃，恒溫48 h；再升溫至1 027 ℃，恒溫72 h。每小時記錄一次反應爐溫度，要求溫度控制偏差小于5 ℃。

2）為模擬正常工況條件，試驗平臺需嚴格控制雜質氣體含量不超標，通過開展長周期熱老化試驗，從而驗證試驗平臺的運行可靠性和測量準確性。試驗過程為：首先采用高純氮氣置換空氣，當氧氣的體積分數低于2×10-6時，再通入高純氦氣，并啟動氦氣純化系統進行氣體循環；然后運行高溫反應爐，開展3 000 h 長周期熱老化試驗，控制反應溫度為750 ℃。試驗過程中，要求雜質含量滿足：H2<30×10-6，H2O<2×10-6，CO <30×10-6，CO2<6×10-6，CH4<5×10-6，N2<2 ×10-6，O2<2 ×10-6。

3.3 試驗操作及控制

1）將碳磚和石墨試樣放置于高溫反應爐內，關閉反應爐法蘭蓋。

2）啟動真空泵對反應爐和管路進行抽真空，使真空壓力達到-0.08 MPa 以下；然后充入高純氮氣，使壓力達到0.1 MPa 以上；再次進行抽真空和充氣，如此循環3 次。

3）采用氣相色譜儀測量反應爐氣體成分，若氧氣的體積分數高于2×10-6時，重復進行抽真空和充氣置換。當氧氣的體積分數低于2×10-6時，通入高純氦氣，并啟動氦氣純化系統進行氣體循環。

4）每隔4 h 測量反應爐氣體成分，當雜質含量滿足試驗要求時，啟動氣體預熱器和高溫反應爐，從室溫升溫至370 ℃，恒溫48 h；然后升溫至750 ℃，恒溫48 h；再升溫至1 027 ℃，恒溫72 h。每小時記錄一次反應爐溫度，要求溫度控制偏差小于5 ℃，若不滿足要求，則調整反應爐溫度控制程序。

5）將溫度降低至750 ℃，開展3 000 h 長周期熱老化試驗，并在反應過程中監測反應前后氣體成分的變化，要求純化處理后氣體的雜質含量始終滿足試驗要求，否則調整氦氣純化裝置運行參數。

3.4 結果與討論

3.4.1 反應爐溫度控制

以370、750、1 027 ℃作為反應爐溫度控制試驗溫度，每小時記錄一次反應爐溫度，結果如圖 2所示。可以看出，反應爐溫度控制較為穩定，偏差均控制在±5 ℃以內，能較好地模擬實際工況的環境溫度。

圖2 反應爐溫度控制曲線Fig.2 Temperature control curve of reaction furnace

3.4.2 正常工況熱老化試驗

碳磚試樣3 000 h 熱老化試驗過程中，反應爐前緩沖罐內氣體雜質成分的檢測結果見表1，反應爐后氣體雜質成分檢測結果見表2。從表1 可以看出，啟動氦氣純化系統后，氮氣含量迅速降低，第3 天時反應爐前緩沖罐氣體雜質含量即符合試驗要求，并在3 000 h 試驗過程中始終維持氣體雜質含量滿足要求。從表2 可以看出，碳磚試樣多孔結構吸附了少量的空氣，在整個試驗過程中緩慢脫附，并與碳磚發生反應，產生了少量H2、CO、CO2、CH4等雜質氣體。試驗開始第1 周，雜質氣體含量較多，之后逐漸減少，并趨于穩定。

表1 反應爐前緩沖罐氣體雜質成分檢測結果（體積分數）Tab.1 Test results of gas impurities in buffer tank before treatment in reaction furnace (volume fraction)×10-6

表2 反應爐后氣體雜質成分檢測結果Tab.2 Test results of gas impurities after treatment in reaction furnace

碳磚和石墨試樣在模擬正常工況條件下進行3 000 h 熱老化試驗后的外觀形貌如圖3 所示。取出的碳磚和石墨試樣均棱角分明，表觀觀察與試驗前無明顯變化，即試樣未發生明顯的化學反應，說明試驗平臺在長周期試驗過程中能良好地控制反應氣體雜質含量，保持高純氦氣的試驗條件。

圖3 3 000 h 熱老化試驗后試樣照片Fig.3 Picture of samples after 3 000 h thermal aging test: a) carbon brick;b) graphite

4 結論

本文設計搭建的熱老化試驗平臺，通過運行試驗表明，其功能滿足高溫氣冷堆陶瓷堆內構件熱老化研究試驗的要求，具體結論如下：

1）試驗平臺采用大口徑耐高溫的GH747 鎳基合金管式爐，通過PID 模糊控制，具有良好的溫度控制穩定性。

2）氦氣純化裝置采用一備一用復式結構設計，可長周期穩定運行，處理后氦氣純度可達99.999%。

3）試驗平臺檢測系統可在線精確測量氣體成分變化，檢測限滿足試驗要求，且測量結果長期穩定可靠。