核电站蒸汽发生器传热管胀管过渡区常见失效与应对方法探讨

张钱松

阳江核电有限公司 广东 阳江 529500

1 胀管过渡区常见失效形式

EPRI（Electric Power Research Institute美国电力试验研究所）在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究报告中整理了以往运行经验，压水堆核电厂蒸汽发生器600MA（轧制退火合金）已经出现过各种模式的失效降级。对于传热管胀管过渡区，主要有如下类型：轴向PWSCC（一回路应力腐蚀开裂）；环向PWSCC；热端管板顶部外径环向SCC；热端管板顶部外径轴向和体积IGA/SCC；其他失效形式。

从上述主要失效类型分析。压水堆核电站蒸汽发生器传热管胀管过渡区的各类主要失效形式中，应力腐蚀是导致传热管降质的最主要的失效机理。而应力腐蚀开裂与材料、应力和腐蚀环境密切相关。

2 影响因素分析

目前国内外已在实验研究和工程应用上对传热管失效形式的影响因素进行研究分析，主要从传热管材料、胀管处理工艺、水化学环境影响因素方面进行分析和改进。

2.1 传热管材料

蒸汽发生器传热管材料选材历经304、316奥氏体不锈钢，在氯离子和碱性环境中，304和316不锈钢管材和管板间容易聚集氯离子和碱性离子，在即使含有微量氯离子的水中也会出现严重的应力腐蚀开裂[1]。

经过试验研究，随着镍含量的提高，材料发现应力腐蚀开裂的所需时间也越久，后续核电站采用镍基600MA（轧制退火合金）固溶状态作为蒸汽发生器传热管材料。但是，经过运行验证已发现A600 MA在蒸汽发生器一次侧和二次侧环境下均很容易发生晶间腐蚀（IGA）及应力腐蚀开裂（SCC）。

为了解决600MA合金的传热管因为PWSCC和ODSCC等类型应力腐蚀开裂失效的问题。行业已开发研究出改进热处理法来提升A600对IGA和SCC的耐腐能力。600改进热处理合金（A600 TT）进行轧制退火后，以中等温度（如704 °C或1300°F）进行一段较长时间（如15小时）的热处理。经过模拟压水堆水化学环境，试验结果表明传热管材料镍含量应当控制在17%到65%的范围内时，抗应力腐蚀效果最佳，如图2-1所示。后来开发800合金（A800 NG）的铬含量更高，镍含量更低，也已被应用于SG，被德国和加拿大的PWR广泛采用。后来又开发出690改进热处理合金（A690 TT）。各国已开展大量试验，其证实相较其他合金，特别是690改进热处理合金（690TT）的耐腐性更好。

图2-1 不同镍含量的合金对应力腐蚀开裂敏感度对应关系

2.2 胀管工艺

最早的蒸汽发生器设计，对管子实施机械胀管，只在一次侧管板面处将管板几英寸的缝隙封住。机械胀管的管板缝隙处的管子外径面发生晶间腐蚀。西屋后来使用爆炸胀管法完成全深度胀管。西屋后续开发了液压胀管法，其已被应用到配A600 TT和A690 TT管子的美国所有蒸汽发生器。

液压胀管相比传统机械胀管，具备如下特点：胀管芯轴插入传热管而不损伤传热管内壁；胀管深度及定位精确，最大限度地保证了传热管与管板的根部间隙减少；液压胀管无机械挤压而产生的冷作硬化，根部残余应力较小，腐蚀倾向比机械滚压胀管小得多。

2.3 水化学环境

根据美国和法国核电厂的运行经验，在运行期间的水化学环境也会对传热管质量降质产生影响。对于蒸汽发生器传热管胀管过渡区而言一回路水化学环境控制主要是控制水中有害杂质如下：

2.3.1 氯化物：选用奥氏体不锈钢作为蒸汽发生器传热管材料容器受氯离子引起应力腐蚀，选用因科镍690TT材料，镍含量≥58%，经试验研究该含量处于氯离子应力腐蚀不敏感区。EPRI在《Pressurized Water Reactor Generic Tube Degradation Predictions》研究报告表明在pH＞3的氯化物环境中，690TT材料的相对于600MA改善因子大于等于20， 690TT出现应力腐蚀开裂的所需时间至少是600MA材料所需时间的20倍以上

2.3.2 浓碱环境（NaOH、LiOH）：苛性钠是蒸汽发生器传热管镍基合金晶间苛性腐蚀的主要潜在原因之一。高浓度下，镍基合金也会产生裂纹。EPRI研究表明在苛性钠浓度更高时，690TT相比600MA的改善因子偏低，因此要控制钠杂质的含量。

目前，国内外核电厂二次侧水化学处理通常采用全挥发水化学处理（AVT）。这种全挥发性添加剂随着汽水循环，不会形成局部浓缩或游离，能比较有效地防止对蒸汽发生器传热管的腐蚀。而随着给水进入蒸汽发生器的可溶性杂质、悬浮物或少量凝汽器泄漏杂质, 可通过排污系统予以清除。

3 国内某CPR类型核电机组在工程实践中针对失效的应对方法

3.1 传热管材料

按照RCC-M（2000+2002补遗）规范要求，国内某CPR类型核电机组蒸汽发生器传热管全部采用因科镍690改进型热处理合金（690TT）。

RCC-M（2000+2002补遗）规范关于用于蒸汽发生器传热管材料化学成分要求

3.2 胀管工艺

国内某CPR类型核电机组蒸汽发生器胀管工艺全部使用的是全深度液压胀管，该胀管工艺比传统机械胀管在残余应力控制上更好，从应力方面减少了应力腐蚀开裂的影响因素。

3.3 水化学环境

国内某CPR类型核电机组蒸汽发生器二次侧给水采用全挥发处理（无铜合金），一二回路水质控制良好，正常运行期间各项水质主要参数均控制在化学与放射化学规范期望值范围内。且凝汽器采用钛管，从材料上减少了海水进入二回路系统的可能性。

4 结束语

根据法国反馈，实施蒸汽发生器传热管胀管过渡区的MRPC检查主要是为了发现应力腐蚀缺陷等失效形式。从国内外实验研究和经验反馈，目前国内某CPR类型核电机组蒸汽发生器从传热管选材、胀管工艺、水化学环境工艺和控制以及二次侧泥渣清洗和沉积情况，都是按照行业内先进的处理方式，对于应力腐蚀缺陷具有较强的抵抗能力。