三门核电二回路腐蚀产物取样优化及应用

苗丽 钟铁 李春亮

(三门核电有限公司 化学处，浙江 台州 317100)

0 引言

电站运行后，随给水迁移至SG 的腐蚀产物和杂质，以及SG 自身产生的腐蚀产物，会在蒸汽发生器管板、传热管表面、支撑板缝隙等区域沉积、结垢。沉积的腐蚀产物会影响SG 传热管的传热效率，同时也会形成恶劣的缝隙化学环境，加剧传热管腐蚀，影响SG 传热管的完整性。因此，电站有必要监督给水及SG 排污水中腐蚀产物含量，以判断给水腐蚀产物向SG 的迁移量以及SG 内水化学环境，同时也是评估SG 进行机械或化学清洗必要性依据之一。

三门核电二回路取样系统设计上有两套腐蚀产物取样装置，分别为SG 排污腐蚀产物取样装置及给水腐蚀产物取样装置。两套腐蚀产物取样装置均布置于二回路集中取样间(远离常规岛第一跨)。在1 号机组热态试验期间，化学人员经过计算发现SG 排污取样管线和给水取样管线过长、过粗，导致取样水流速低于行业导则要求的1.5～2.1m/s，使得SG 排污和给水腐蚀产物取样缺乏代表性。最终通过变更SG 排污和主给水腐蚀产物取样点位置、取样管线管径后，确保了腐蚀产物取样的代表性。1 号机组首循环期间，给水及SG 排污腐蚀产物取样装置自2018 年6 月7 日开始投运，截止2019 年11 月13 日，累计收集75 次样品，精确计算了SG 二次侧腐蚀产物累积量，为优化二回路水化学控制策略提供依据。

1 对腐蚀产物样品的监督要求

二回路中腐蚀产物主要以颗粒物形态存在，大部分为铁的金属氧化物。虽然颗粒可以均匀地分布在流体中，但会在取样管线表面沉积并长期连续释放，从而影响取样的代表性(1)。另外，机组正常运行时给水系统腐蚀产物浓度一般都很低，一般需要分析累积样品，确保分析结果的准确性。

EPRI 二回路水化学导则第7 章明确规定，为了提高获得有代表性样品的可能性，应考虑：(1)取样管线应尽可能短和减少弯头数量；(2)建议取样流速为6fps(英尺/秒)，或使用1/4 英寸取样管道。

ASTM D 6301-03(水中可滤和不可滤物质样品采集的标准实施规范)6.5 章明确要求：取样管线流速过低会导致样品中物质沉降或沉积，因此，取样管线必须维持湍流且流速维持在1.5-2.1m/s。

2 原设计给水及SG排污腐蚀产物取样存在的问题

随给水向SG 迁移的腐蚀产物总量主要通过腐蚀产物取样装置进行取样、分析、计算。在腐蚀产物取样装置过滤器上放置一张已恒重的0.45μm 滤膜，调节一定流量的主给水通过滤膜，腐蚀产物被滤膜截留，一定时间(通常为每周)后更换滤膜，对旧滤膜溶解后测量Fe 含量，表征腐蚀产物总量。具体流程如图1 所示。

图1 腐蚀产物取样流程示意图

3.1 取样流速不满足行业导则要求

二回路取样系统原设计中SG 排污取样管线设计为DN25(Φ32×3)，材质为S30403，管道长度约170m，；主给水取样管线设计为DN10(Φ16×3)，材质为S30403，管道长度约150m。1 号机组热态补充试验期间，化学人员通过读取分析仪表入口流量计读数、估算就地取样流量结合管道长度，计算得出SG 排污和给水样品流速分别为0.034m/s、0.12m/s，取样延时分别为84 分钟和12 分钟，具体计算数据见表1，和EPRI 导则及行业导则对腐蚀产物测量的流速要求相差甚远，影响取样代表性，进而影响对SG 和给水管道腐蚀状态的判断。

表1 SG排污及给水取样流速信息表

3.2 腐蚀产物取样装置密封性差

三门核电二回路原设计给水及SG 腐蚀产物取样装置位于二回路集中取样间，型号为Millipore 厂家管线内换膜过滤器，材料为聚丙烯，尼龙手轮旋钮，具体如图2 所示。该装置要求使用的滤膜为密理博 HAWPO4700(0.45um)，流体最高温不能超过55℃，建议在50℃下使用。滤膜的推荐过流量为60ml/min·cm2，实验室实际使用过程中控制流量不超过200ml/min。该腐蚀产物取样装置实际使用过程中多次发生聚丙烯过滤器变形、密封性变差导致装置漏水情况，影响对流经腐蚀产物取样装置累计流量的统计，影响SG 二次侧腐蚀产物累积量统计的准确性。

4 给水及SG排污腐蚀产物取样优化方案

在发现原设计给水及SG 排污取样管线过长、过粗，导致取样水流速过低、取样延迟时间长，影响对给水及SG 排污腐蚀产物监测的准确性，进而影响对给水及SG 管道腐蚀状态的判断问题后，化学人员在2017 年对给水及SG 排污腐蚀产物取样提出变更需求，最终对原设计给水及SG 排污腐蚀产物取样方式进行了如下优化：

(1)新增一套给水及SG 排污腐蚀产物取样装置，原装置弃用。新装置就地布置，布置在汽轮机厂房0.00m 层，给水取样高温高压架一侧(临近第一跨)。新装置为成套设备，冷却水通过的管道、冷却器、阀门、测量池、管接头及其它部件均为不锈钢S30403 材质，保证了腐蚀产物取样装置的可靠性。新装置如图3 所示。

图2 给水及SG腐蚀产物取样装置示图

(2)将SG 排污取样管线管径由DN25(Φ32×3)改为DN8((Φ12×2)，并引一路取样管DN6(Φ10×2)至就地SG 排污腐蚀产物取样装置。

(3)将高加出口总管取样管在止回阀之后的管径，由DN10(Φ16×3)改为DN6 (Φ10×2)，并引一路取样管线至就地给水腐蚀产物取样装置。

图3 优化后给水及排污腐蚀产物取样装置图

变更完成后，经化学人员就地取样验证，取样流速约2m/s,保证了腐蚀产物取样的代表性。。

5 给水及SG腐蚀产物取样装置应用

5.1 随给水迁入SG的腐蚀产物统计

三门核电1 号机组运行期间，腐蚀产物总量计算以机组燃料循环周期进行，除氧器开始向SG 供水后投运给水腐蚀产物取样装置，开始收集给水腐蚀产物，SG 建立连续排污后投运SG 排污腐蚀产物取样 装置，开始收集SG 排污腐蚀产物，在开始停堆大修，主给水、排污样品断流后结束，期间以周为单位(7天)收集给水、SG 排污中的腐蚀产物。根据EPRI 二回路水化学导则的建议以及参考美国同行电站的经验，腐蚀产物总量计算时以铁含量的计算结果为准，计算公式如下：

式中：F给水为单台SG 周累积给水流量，t；CFe-给水为当周给水Fe 含量(腐蚀产物收集装置的测量结果)，μg/L；CFe-排污为当周排污Fe 含量(腐蚀产物收集装置的测量结果)，μg/L；F排污为单台SG 周累积排污流量，t；m为某一个燃料循环内单台SG 内累积的腐蚀产物量，g；m给水为某一个燃料循环内给水迁移至单台SG 二次侧腐蚀产物周累积量，g；m排污为某一个燃料循环内单台SG 排污腐蚀产物周累积量，g。

1 号机组首循环期间，给水及SG 排污腐蚀产物取样装置自2018 年6 月7 日开始投运，截止2019 年11 月13 日，累计收集75 次样品，根据公式(1)、(2)、(3)使用膜溶解后的铁含量进行计算，铁迁移至SG 累积的量为459.8 公斤。

5.2 101大修SG管板冲洗泥渣量统计

三门核电101 大修期间对1 号机组两台SG 进行了150bar手孔直枪冲洗以及手孔斜枪冲洗，两台SG 二次侧管板共冲出湿泥渣30.074kg，滤芯烘干后，干泥渣总重为6.495kg。其中SG A 冲出湿泥渣重14.095kg，干泥渣重2.521kg；SG B 冲出湿泥渣重15.979kg，干泥渣重3.974kg。

5.3 首循环SG内部沉积腐蚀产物评估

根据随给水迁入SG 的腐蚀产物统计量和SG 管板冲洗泥渣量统计结果，1 号机组首循环SG 内部沉积的腐蚀产物的量为453.3kg(采用铁含量进行计算)。

三门核电二回路目前采用联氨-氨全挥发控制模式，第一燃料循环受制于凝结水精处理系统(CPS)未完全退出影响，给水pH 值控制在9.5 左右，由于氨的汽液分配比不均衡，导致疏水系统pH 值仅为9.0 左右，给水及疏水铁含量变化趋势如图4所示。从碳钢材料腐蚀速率随pH 值变化曲线可以看出pH 值对碳钢的腐蚀速率影响很大，疏水系统pH 值过低，增加了系统管道设备的流动加速腐蚀风险。二回路给水及疏水铁含量变化趋势如图4 所示。

图4 二回路给水及疏水铁含量变化趋势

从图4 可以看出，第一燃料循环，给水铁含量维持在5ppb左右， MS 疏水Fe 含量维持在20-30ppb，为给水腐蚀产物的主要来源。

根据SG 的结构判断，腐蚀产物可能沉积的区域包括泥渣收集器、支撑板、管热管和管板区域。其中由于SG 传热管面积大，绝大多数腐蚀产物沉积在SG 传热管表面。

AP1000 单台SG 中包含100025 根传热管，传热面积11477平方米，传热管壁厚为1.04mm。按照之前的计算，首循环单个SG 中沉积的腐蚀产物226kg，假定这些腐蚀产物全部均匀沉积在传热管表面，将导致传热管增厚2.5um，从当前运行数据看没有对传热效率造成影响。B&W 推荐当SG 中沉积物量达到10-14 克/每平方英尺之间时，需对SG 传热管表面执行化学清洗。按照我厂的传热管面积估算，总累计量约为3000kg 时，才需要进行化学清洗，目前不需要对SG 进行化学清洗。

6 二回路水化学控制策略优化方向

核电厂投入运行后，二回路系统设备材料已经确定，无法通过大规模材料优化来降低设备腐蚀，减少向SG 内迁移沉积。所以对于运行的核电站二回路的腐蚀控制只能通过化学手段来实现，这主要包括两个方面，一是优化当前二回路热力系统化学控制模式，尽可能地降低二回路系统设备的腐蚀，最大限度地降低腐蚀产物向SG 迁移；二是通过添加分散剂和化学清洗等手段，将沉积在SG 内的腐蚀产物除去。

6.1 二回路采用替代胺pH控制模式

三门核电目前正在开展二回路替代胺可行性研究，开展联氨-氨-乙醇胺(ETA)控制模式优化工作。ETA 由于其较低的汽液分配比(2)，若其替代氨作为二回路系统碱化剂，可以实现二回路各子系统的pH 值均匀分布，提高疏水系统pH 值，减缓二回路系统汽水界面区域发生FAC，减少腐蚀产物向蒸汽发生器的迁移，达到降低蒸汽发生器内部腐蚀产物沉积目的。

6.2 向SG中添加分散剂

分散剂聚丙烯酸(PAA)是带有负电荷的合成聚合物或天然有机物，可以吸附在腐蚀产物的颗粒表面及已经形成的垢层表面上，使它们带有相同的电荷而产生斥力，从而抑制沉积物的形成过程，增强腐蚀产物颗粒在水中悬浮能力，从而通过排污除去，从而达到减少沉积量。根据国际上使用分散剂的核电站经验，添加分散剂具有：降低SG 积污率、提高SG 热效率、减少机组启动时铁的迁移、提高SG 水力冲洗效果等优点。目前国外添加分散剂的方式主要有机组大修停运前及SG 湿保养添加、机组启动过程二回路大循环时添加以及机组正常运行期间连续添加三种方式(3)。

根据国外核电站应用经验，结合三门核电首循环SG 内沉积腐蚀产物总量及101 大修水力冲洗冲出腐蚀产物总量，建议三门核电选择在机组大修停运期间及SG 湿保养添加分散剂的应用方式。该方式有助于增加停运期间SG 内沉积的腐蚀产物排出，同时为SG 水力冲洗SG 内沉积的硬垢去除创造条件。三门核电后续还需开展材料的兼容性试验和评估及PAA 浓度分析方法建立。

7 结语

三门核电通过变更对SG 排污和主给水腐蚀产物取样进行优化，确保了腐蚀产物取样的代表性，并在机组首循环期间进行了成功应用，通过统计1 号机组首循环内随给水引入和随排污带出SG 的腐蚀产物的量，并结合101 大修期间水力冲洗去除的腐蚀产物的量，计算出残留在SG 中的腐蚀产物的量，据此评估明确了后续二回路水化学控制策略优化方向。