压水堆核电机组蒸汽发生器监测铁传输的取样研究

伊海龙 孙其良 姚雪鸿 熊彬伟 陈红雨

【摘  要】国内压水堆核电机组对蒸汽发生器铁腐蚀产物传输取样方法大多为抓取取样。这种取样方式缺点是代表性不足、灵敏度不够、受干扰大、错过机组瞬态变化等，对蒸汽发生器的铁腐蚀产物传输水平监测存在不足。论文主要通过改善样品代表性和提升灵敏度两方面，来对取样方式进行研究。

【Abstract】Most of the transmission sampling methods for iron corrosion products of steam generator in domestic PWR nuclear power units are grab sampling. The disadvantages of this sampling method are insufficient representativeness， insufficient sensitivity， large interference， missing transient changes of the unit， etc.， and the monitoring of the transmission level of iron corrosion products of the steam generator is insufficient. This paper mainly studies the sampling method by improving the sample representativeness and increasing the sensitivity.

【關键词】蒸汽发生器;铁腐蚀产物;传输;代表性;灵敏度

【Keywords】steam generator; iron corrosion product; transmission; representativeness; sensitivity

【中图分类号】TM623                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）07-0161-03

1 引言

蒸器发生器是核电机组热交换设备，将一回路的热量传递给二回路给水。为提高传热效率，其管壁很薄，其总传热面积占一回路承压边界总面积的近80%;其单个蒸发器传热管超4000根，使用9层隔板固定，这保证了传热管的安全性。但其带来的负面影响是二回路的腐蚀产物进入蒸发器后，会造成在隔板、传热管与支撑板缝隙、U型管顶部处积聚，在蒸器发生器的腐蚀产物逐步积累。

由于二回路侧的腐蚀产物传输到蒸汽发生器的现象不能完全避免，随着运行寿期的增长沉积在蒸汽发生器内的沉渣量将逐年累积，这种效应必将导致后期需要通过不同手段如高压水力冲洗或化学清洗来去除蒸发器腐蚀产物，以降低蒸汽发生器的腐蚀，提高其热传递效率。但由于蒸汽发生器内部的腐蚀产物不能通过降负荷或停堆等方式完全去除，为此评估蒸汽发生器的清洁度或蒸汽发生器内部腐蚀产物的累积变得尤为重要。对于获得有代表性的二回路水体数据和较高灵敏度的基础数据的需求变得更加迫切。

2 压水堆核电机组二回路水体中铁腐蚀产物基本特征

在二回路水系统中，理想状态下铁与水体会发生复杂的反应，并产生多种中间态和稳态产物：

①Fe、Fe2+、Fe3+、Fe3O4 （FeO·Fe2O3）、Fe（OH）2、FeO（OH）、Fe（OH）3、Fe2O3

②Spinel oxides： Fe3（x+y）CrxNiyO4

③Ni-ferrite

④Fe-chromite

⑤NiO， Mn-oxides， Cr-oxides， Ag-oxides，etc

其中，离子状态的铁腐蚀产物是可采集的，因其在水体中溶解均匀，通过抓取取样是可准确测量的，但单质铁及铁的氧化物（颗粒态），铁的氢氧化物（有胶体的性质）等产物，在低速取样管线中，铁的腐蚀产物容易沉降或沉积吸附，或者两者都有。

3 取样方式的现状

在国内生产实践中，多数电厂采取日常期间监测二回路主给水总铁含量，周期每周一次;铁腐蚀产物在蒸汽发生器排污系统和主给水系统同时取样，取样时临时建立取样流量，按照周期半年1次，在线过滤累积流量7天的方式取样。

当前取样模式存在不足，主要表现在以下两方面：

①样品代表性不足：

第一，日常监测未采取蒸汽发生器排污系统和主给水系统同时取样，无法准确进行铁传输的计算。

第二，主给水系统采样管线流速低，管线内存在沉积或沉降的现象。

第三，临时建立取样流量，采样管线内表面需重新建立沉积或再释放的再平衡，仍会导致样品代表性不足。

②样品灵敏度不足：

第一，抓取样品时仅能代表某一时刻的系统状态，缺少对瞬态变化的监督。

第二，短周期取样且频率较低时，会由于颗粒态铁的腐蚀产物在传输过程的随机性，导致水体分析测量数据波动较大，使测量结果偏高或偏低，同时也有可能被认为取样沾污等原因，将系统内特征浓度测量数据被隐藏。

参照国内和国际标准，从改善样品代表性和提升灵敏度两方面，通过下文来对取样方式研究进行介绍。

4 对二回路水体中铁腐蚀产物取样代表性的研究

进行铁的腐蚀产物分析是一项比较重大的挑战，原因是有大部分含铁腐蚀产物的形式颗粒态。其在采样管线表面上会有沉积，而且采样管线会释放沉积氧化物，所以会对样品浓度与系统水体特征浓度产生明显的偏差。

4.1 采样管线中颗粒传输的基本原理

关于采样管线中颗粒传输的研究表明：样品流速和稳定性是决定样品管壁沉积速率和冲蚀速率以及达到和保持平衡所需时间的重要因素，也应注意到管壁沉积物中对溶解物的吸附影响。保持特定的流速是获得样品代表性的必要条件。

4.2 采样管线流速设计准则

现有采样管线设计为参照水汽集中取样分析装置验收导则中的要求：在规定取样架出口水条件下，恒温设备应保证单路出口水样不小于500mL/min（可调）。以二回路主给水取样管线为例，在用取样管线设计为管道DN10，流量范围60～90L/h（参考换热器设计标准）即1000～1500mL/min，是满足设计要求的。

4.3 提高样品代表性可以考虑的方法

①采样管线长度应尽可能短，而且应尽量减少弯头数量。这能减少表面的沉积和污染物释放，同时能尽量减少化学反应的时间。采样点应接近系统，且取样点上游不宜设置过滤器。如样品温度过高，应在一次冷却器后设置。如主给水取样点。

②采样管线（主流路）的流动状态应维持在紊流状态，同时应尽可能保持恒定，且取样过程中流量不做调整。

要实现采样管线内流体成紊流状态，建议使用雷诺数进行计算，其定义及公式如下：

雷諾数（Reynolds number）是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。另一种表述是惯性力和粘度力的比值，以Re表示，公式为：

Re=ρvd/η

式中：

ρ为流体在某一温度下的密度。

v为流体的线性流速。

d为流体经过的特征长度，当流体流管圆形管道时，其为管道直径。

η为流体在某一温度下运动学黏性系数。

当流体的雷诺数<2000时，认为其是层流;在2000～3000时，则会过渡至发生湍流;大于3000时认为是紊流。当管线流体成紊流状态时，增加了管道内垂直方向的扰动，增加了近壁面的流速（见图1），减少铁的产物的积累，使样品代表性提高，水体分析能够更客观地表征系统状态。

当样品流量达到1000mL/min时，在不同温度下，部分采样管线的雷诺数仍可处于紊流范围（见表1）。因此，维持紊流状态是可以在相对较低的样品流量的前提下实现的。

4.4 生产中可提高取样代表性的建议做法

在实际生产活动中，建议对蒸汽发生器排污系统和主给水系统同时取样，以期望获得在取样周期内，蒸发器内的铁传输的真实水平。

为保证水体的代表性，应使采样管线（主管线）内水体完全达到紊流，管线流量应不低于1400mL/min。但由于管线内仍然存在铁的产物沉积仍会导致流量发生衰减，故建议初始流量不应低于2000mL/min。对于采样管线应维持连续流水，即使在进行取样时，在支路或主管线取样时，也不做采样管线（主管线）流量调整。

在机组启动期间，应尽早开通采样管线。以期望在首次取之前使采样系统表面的沉积物达到稳定。需要注意的是，在流量发生明显瞬变之后，采样系统表面的沉积物稳定需要等待几十甚至数百小时。

5 对二回路水体中铁腐蚀产物取样灵敏度的研究

通常情况下，抓取样品和短周期取样的灵敏度不足以检测腐蚀产物传输水平的变化，也会错过系统瞬态变化。

5.1 取样周期的选择

从2010年开始建立对铁的腐蚀产物取样方式摸索至今，通过长期实验数据积累分析表明：在线累积流量法取样周期需要一周才能有效降低误差。这种取样方式能够提高铁腐蚀产物的灵敏度，来获得向蒸汽发生器腐蚀产物传输的更加接近系统水平的平均等效浓度。

5.2 长周期在线累积取样数据对比

通过在线累积流量取样分析数据与抓取取样实验室分析数据进行对比（见图2和图3），分析结果表明：在线累积取样分析数据较抓取取样增高30%～50%。

基于以上原理和实验数据分析，给出参考做法如下：

①在机组正常运行期间，采取在线连续过滤流动的样品，使用0.1μm或0.45μm滤膜过滤，周期7天，以取样管线（支管）初始流量200mL/min的流量连续过滤，以减少流量衰减对流速的影响。

②在工艺管线流量不断变化的瞬变工况期间，例如，在启动期间，核功率大于30%PN至满功率止，由于系统较脏，短时间内取样流量会急速衰减，长周期采样并不能获得准确的平均等效浓度。理论上来说，实时调节管线流量可减缓这种不准确性。然而，这种调节需要人员频繁干预，也存在干预不及时、人员状态不可控等问题，一般电站并不会采用这种方法。故建议选取缩短周期为1天，增加采样频率减小浓度数据的不确定性。

③推荐使用X射线荧光光谱（XRF）分析法分析滤膜样品，以确定铁的氧化状态，无需溶解过滤膜。或者将过滤膜完全溶解（要注意转移时防止样品损失），并通过原子吸收火焰法或电感耦合等离子体法对溶液进行分析。所得结果可计算采样期间的平均等效浓度。

④在功率运行期间的相关浓度是指“等效”浓度。满功率下的“等效”浓度等于实测浓度乘功率百分比除以100。例如，在10%功率下，实测浓度为100μg/kg，则100%功率下等效浓度为10μg/kg（即关于向蒸汽发生器的运输量）。

6 结论

通过对压水堆核电机组蒸汽发生器监测铁传输的取样研究结果来看：对采样管线的流速优化、对取样方式的周期的变化，可以改善水体样品的代表性;通过长周期在线累积取样，能够提高取样测量的灵敏度。经过此项研究，能够为蒸汽发生器的铁腐蚀产物传输提供更加客观测量数据的取样方式;为蒸汽发生器铁腐蚀产物累积量评估、蒸汽发生器的老化评估提供重要的更接近系统状态的基础数据。