压水堆核电机组二回路流动加速腐蚀的原因及处理措施

王 柱,韩会娟,李 鹏,孙国伟

(台山核电合营有限公司,广东 台山 529228)

压水堆核电机组二回路流动加速腐蚀的原因及处理措施

王 柱,韩会娟,李 鹏,孙国伟

(台山核电合营有限公司,广东 台山 529228)

针对国内某压水堆核电二回路流动加速腐蚀(Flow Accelerated Corrosion，简称FAC)问题，分析了其产生原因，并提出了相应解决措施，即在保持二回路系统微量溶解氧含量基础上，适时将二回路碱化剂由氨改为有机胺，提高给水pH值。运行实践表明，采用该措施消除了设备FAC现象的发生。

压水堆机组二回路;流动加速腐蚀;高pH值的还原性全挥发处理;有机胺处理;给水微量氧

1 国内某压水堆机组热力系统

1.1 机组二回路的结构

国内某压水堆(Pressurized Water Reactor, 简称PWR)机组的热力系统如图1所示。二回路为图1虚线部份，主要设备包括凝汽器、高低压加热器、除氧器、蒸汽发生器(Steam Generator, 简称SG)、汽水分离再热器、汽轮机及连接管道等。其设备材料包括钛合金、碳钢、低合金钢、不锈钢、经热处理的因科镍690合金等[1]。

1.2 二回路运行环境

该机组二回路介质处于高温、高压环境,不同材料和介质之间的交互作用会导致不同形态的腐蚀,特别是一二回路压力边界的SG传热管,其表面积占二回路系统总表面积很大比例,作为第二道安全屏障的一部分,承担着防止放射性物质向环境释放的作用。

图1 某PWR机组基本热力系统流程图

1.3 减缓二回路腐蚀的原理及目的

该电站二回路采用还原性全挥发处理(All Volatile Treatment (Reduction), 简称AVT(R)),即通过向二回路系统添加氨和联氨,调节给水pH25℃值在9.5～10,联氨含量在30～200 μg/kg以维持SG内完全的还原性环境,从而实现如下目的:

1) 减缓二回路系统材料的腐蚀,包括材料的均匀腐蚀和FAC,以减少腐蚀产物向SG的迁移,抑制SG内腐蚀产物的沉积。

2) 减缓SG内材料均匀腐蚀和局部腐蚀的发生,降低传热管积污及传热管支撑板堵塞,确保一、二回路压力边界完整性,改善SG运行性能。

2 该电站二回路存在的问题

该电站二回路化学水控制水平一直在国际同类机组中保持领先地位,其1号机组某年二季度给水pH值(采用在线pH计测量)和溶氧(采用在线溶氧表测量)含量变化情况如图2、图3所示。

图2 1 号机组给水pH25℃变化趋势图

图3 1号机组给水溶氧含量变化趋势图

从图2、图3中可以看出,指标完全满足标准要求。然而从大修检查中发现了二回路设备的腐蚀迹象,如图4所示，且给水铁含量(采用原子吸收光谱仪测量)波动较大,如图5所示。另外,在每次大修时,均能从汽水分离再热器箱底及疏水箱中清扫出一些锈蚀产物,经化验分析得知为磁性氧化铁;在凝汽器底部也会清理出类似的锈蚀产物。同时,在进行SG冲洗时,冲洗出的泥渣总量逐步增加,这对SG的安全运行构成了实质性威胁。

3 原因分析

通过对腐蚀形态、腐蚀产物成分分析、金相分析,并结合腐蚀部位的热力情况,确认了引起上述问题的主要原因是FAC。

图4 设备腐蚀情况

图5 1号机组给水铁含量变化趋势图

3.1 FAC的过程和机理

流动加速腐蚀(Flow Accelerated Corrosion, FAC)是指在湍流情况、快速流动的水或湿蒸汽作用下,碳钢或低合金钢表面保护性氧化膜(通常为磁性氧化铁)不断溶入水流或水汽混合流体中,使底层金属不断发生腐蚀,最终导致管壁不断减薄。

FAC的发生分为4步,如图6所示。

图6 FAC发生示意简图

1) 由于PWR核电站二回路系统采用AVT(R)处理,铁在金属-氧化层接触面的游离氧水溶液中发生氧化反应,在溶液空隙中形成可溶的亚铁离子,通过多孔的氧化层扩散到主体溶液中,反应产生的H2可通过多孔氧化层扩散,也可进入到金属当中。

Fe+2H2O→Fe2++2OH-+H2Fe2++2OH-→Fe(OH)2

2) 剩余的亚铁离子在内层形成磁性氧化铁并在已有的氧化膜上发生沉积。而且在低流速下,这层氧化铁膜具有保护性,能够显著降低长周期的腐蚀速率(在热传输的情况下,腐蚀速率达到<1 μm/a)。

3Fe(OH)2+2OH-→Fe3O4+H2+2H2O

3) 受溶液中H2的还原作用,外层的磁性氧化铁膜发生溶解。

式中,b=0、1、2、3,具体取值取决于亚铁离子的水解程度。

4) 在水流的剪切力和浓度梯度的作用下,可溶的铁从孔隙静止溶液中向主体流动溶液中迁移。

3.2 造成FAC的主要因素

从上述过程可看出,造成FAC的主要因素有:

1) 介质,水是除掉氧化层的必要条件,因此FAC发生在单相水流或汽水两相流体中。

2) 流速,高流速及湍流状态下,碳钢的腐蚀速率明显加速。

3) 温度,FAC通常发生在100～250 ℃之间,对于流速恒定、pH稳定的水流,通常在130～180 ℃之间FAC速率最大。

4) 材料成分,材料中铬含量高于1%,FAC的影响可忽略[2]。

5) 设备几何尺寸对FAC有影响。

另外,给水溶氧含量,给水溶氧含量超低,会造成给水pH值偏低,容易引起二回路材料的FAC加速。这种现象在国内火电厂曾经出现过。

4 采取措施

4.1 材料改进

采用高铬含量设备替代易发生FAC的二回路设备,避免FAC的发生。

4.2 pH调节改进

由于pH对FAC有重要影响,因此提高敏感区域,特别是汽液两相区域的pH值调节适宜可显著降低FAC速率[3],如图7所示。

图7 碳钢FAC速率(180 ℃)与溶液pH25℃值的关系

由图7可见,当pH25℃≥9.60时,FAC速率大幅降低,因此,参考国内外的良好实践,该电站决定提高给水pH值至限值的上限区域,即将给水pH25℃值提高至9.8～10区域。经运行实践表明,改进后给水铁含量得到有效控制,基本稳定在1μg/kg左右,如图8所示;同时,近两次机组大修中,SG冲洗出的泥渣总量也在减少。

图8 给水pH提高后1号给水铁含量变化趋势图

由于氨的强挥发性,因此，液相区域pH值有时依然偏低,存在FAC的风险。根据欧美国家二回路有机胺处理的成熟做法,该电站考虑在二回路开展使用低挥发性的有机胺来替代氨的相关试验,并在时机成熟时进行碱化剂切换。

4.3 给水加氧

采用给水加氧方式来降低系统材料腐蚀,特别是对降低FAC的发生更有效,如国华太仓发电有限公司的超临界机组就实施了给水加氧处理,防腐蚀效果特明显[4]。

采用给水加氧处理的条件,包括除凝汽器外的系统不含铜合金部件;凝结水系统配置了全流量精处理系统;给水化学品质良好,氢电导率小于0.15 μS/cm等。

对于核电站而言,采用这种处理方式必须保证给水系统末端进入SG前的联氨含量,即维持给水联氨含量与溶氧含量的质量浓度比值R≥8,以确保SG内完全的还原性环境。

5 结 语

该核电站通过提高二回路给水pH值的方式基本消除了设备FAC现象的发生。在此基础上,后续还将对有机胺在二回路的应用、给水溶氧控制改进方面进行一系列实验,在获得足够数据支撑后将适时实施,以保证机组的安全长期经济运行。

[1] 广东核电培训中心. 900 MW压水堆核电站系统与设备[M]. 北京:原子能出版社,2005. Guangdong Nuclear Power Training Center. 900 MW PWR nuclear power plant and equipments [M]. Beijing: Atomic Power Press, 2005.

[2] 李宇春，朱志平. 核电站水化学控制工况备[M]. 北京:化学工业出版社,2008. LI Yuchun, ZHU Zhiping. Working conditions of hydrochemistry in nuclear power plants [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.

[3] 范晓梅，林建中，左萌. PWR二回路给水水质控制的探讨[J]. 重庆电力高等专科学校学报,2008，13(3). FAN Xiaomei, LIN Jianzhong, ZUO Meng. Dicussion of secondary side water quality control for PWR plants [J]. Journal of Chongqing Electric Power College, 2008，13(3).

[4] 顾庆华、付昱. 国华太仓发电厂超临界机组直流锅炉给水加氧处理实践[J]. 热力发电,2009，38(12). GU Qinghua, FU Yu. Practice of oxygen-adding treatment for feed-water of once-through boilers equipped for supercritical units in Guohua Taicang power plant [J]. Thermal Power Generation, 2009，38(12).

(责任编辑 郭金光)

Cause and countermeasures of flow accelerated corrosion in the PWR secondary circuit

WANG Zhu, HAN Huijuan, LI Peng, SUN Guowei

(Taishan Nuclear Power Joint Venture Company, Taishan 529228, China)

Aiming at the problem of Accelerated Corrosion Flow(FAC)in a pressurized water reactor nuclear power plant secondary circuit，the cause of its generation is analyzed，and the corresponding solving measures are put forward，which is based on the secondary circuit system’s trace dissolved oxygen content，and the secondary circuit base is changed from ammonia to organic amine，and the pH value is improved in the feed-water.Operation practice shows that the phenomenon of FAC is eliminated by using this measure.

the secondary circuit of PWR; flow accelerated corrosion,; all volatile treatment (reduction) with high pH; organic amine treatment; trace oxygen in feed-water

2015-06-26。

王 柱(1972—),男,高级工程师,现从事核电厂化学与环境监督工作。

TM623.7

A

2095-6843(2015)06-0551-03