Vol.5.8.2

核電站蒸汽發生器傳熱管失效類型[1,2]

蒸汽發生器是壓水堆動力裝置的關鍵設備之一，無論是用奧氏體不銹鋼，還是用Monel或Inconel 600 作管材，其破損主要是由各種形式的腐蝕造成的。腐蝕及失效形式類型有：點蝕、微振腐蝕與高周疲勞、耗蝕與凹痕、應力腐蝕（一次側應力腐蝕（PWSCC）、二次側晶間腐蝕和應力腐蝕（IGA和IGSCC））。

 01

點蝕

點蝕主要發生在蒸汽發生器冷側管板與第1 塊支撐板間的泥渣堆中或有污垢的管段上，在該處形成局部垢下腐蝕電池。在氧化環境下或有Cu2+時，會加快點蝕的進程。

 02

微振腐蝕與高周疲勞

引起微振磨損的原因是流體流過管束時產生的振動。傳熱管在防振條或支撐板的接觸處產生磨損，傳熱管會出現嚴重的減薄現象。如果在U形彎頭區的防振條離支撐點過遠或者傳熱管與防振條之間的間隙太大，都會在U形彎頭區出現微振磨損。

高周疲勞是由于在U形彎管區流體流動誘發的振動和含有雜質的工質濃縮而造成的。傳熱管高的殘余應力、微振磨損或微裂紋、工質雜質的濃縮等都會降低Inconel 600 的疲勞強度。

 03

耗蝕（wastage）與凹痕（denting）

由于傳熱管與支撐板之間縫隙較多，可積聚二次側水中的雜質，水平管板上也會堆積泥渣，這些縫隙和泥渣的堆積為傳熱管的腐蝕提供了環境條件。二回路系統和凝汽器的泄漏，會吸入空氣和污染冷卻水，也會對傳熱管產生腐蝕。早期壓水堆蒸汽發生器傳熱管用Inconel 600 制造，二次側水的化學處理為磷酸鹽，結果磷酸鈉在縫隙和泥渣濃縮，造成在這些區域內傳熱管的耗蝕（管壁減薄）。現在二次側水的化學處理由磷酸鹽處理改為全揮發處理（AVT），在嚴格凈化的給水中加入氨，傳熱管腐蝕（變薄）和耗蝕的發生率下降。但AVT 處理又帶來另一種腐蝕，pH 會有所下降。這時，當氯化物進入鍋水時，支撐板間隙中會形成NiCl2和FeCl3，加速碳鋼支撐板內壁的腐蝕。在酸性環境里，當Cl-含量為20μg ?kg-1、間隙為0.305 mm時，預測凹痕腐蝕開始形成的時間為2.5a。

①法國蒸汽發生器中的凹痕腐蝕。

對于1300MW 機組蒸汽發生器上發生的傳熱管變形和破裂，法國電力公司進行了檢查和研究。研究發現沉積物成分主要不是泥渣（即腐蝕產物），而是蒸汽發生器二次側筒體一條環焊縫在現場焊接時，殘留焊條焊渣和打磨鐵屑進入二次側，運行前沒有除去。運行時，二次側水溫度升高，亞鐵化合物粒子被氧化，形成的磁性氧化鐵（Fe3O4）聚結和膨脹，擠壓傳熱管的脹管過渡段，發生凹痕腐蝕現象，因內壁應力過大而引起一次側晶間應力腐蝕破裂；

②美國蒸汽發生器中的凹痕腐蝕。

1975年末，美國一些核電廠蒸汽發生器里發現了傳熱管凹痕腐蝕。對傳熱管作例行ET時，發現支撐板內的傳熱管壁面被壓凹，渦流探頭不能通過。這種壓凹現象是由于碳鋼支撐板內的腐蝕產物堆積在傳熱管與支撐板間隙內而造成的。如果支撐板變形嚴重，作用在傳熱管上的力不對稱，使得傳熱管橫截面變為腎狀。當這些蒸汽發生器繼續運行時，可能誘發一次側或二次側晶間應力腐蝕。在U形彎頭支撐板處還會對高周疲勞變得更為敏感。

早期設計的蒸汽發生器中，支撐板為鉆孔結構，材料為碳鋼。傳熱管與支撐板接觸面很小，接觸面所占圓周的角度有限。在接觸面附近，由于工質流動受到阻礙，液體不足，導致傳熱惡化，在傳熱面上產生干濕交替或在間隙中形成汽墊，而在間隙較大的傳熱面上則產生正常的沸騰現象。間隙內如積累腐蝕產物，將增大通過間隙的流動阻力，加速間隙中流體不足現象，進而加速雜質的濃縮和沉積。

 04

一次側應力腐蝕（PWSCC）

一次側應力腐蝕集中發生在Inconel 600 蒸汽發生器，是一種晶間腐蝕破裂。一次側水溫是導致PWSCC 的一個主要因素。一般只有在熱側脹管過渡區里才發生，在脹管過渡區和凹痕區里，周向和軸向裂紋都會發生。

 05

二次側的IGA 和IGSCC

有一段時間，蒸汽發生器傳熱管二次側的晶間腐蝕（IGA）和沿晶型的應力腐蝕（IGSCC）已成為傳熱管腐蝕破損的主要機理。這類腐蝕的發生率相當高，并且腐蝕速率很快。IGA 是沿傳熱管表面晶粒邊界出現均勻或比較均勻的腐蝕，發生在蒸干區如泥渣堆和縫隙里。IGA 經常是IGSCC的先兆，即在早期發生比較均勻的腐蝕（管壁減薄），應力增加后IGA會加速演變為IGSCC。IGA與IGSCC的主要區別在于應力對IGA 的影響不顯著，在沒有拉應力存在的情況下也會發生。而應力對IGA 的發生和增長有加速作用，IGSCC 需要3個條件： 即拉應力，敏感的材料和腐蝕環境（高溫水并含有腐蝕性雜質）。

IGSCC的腐蝕形態是裂紋的擴展都是沿晶發展，大多數IGSCC的裂紋呈軸向，但在脹管過渡區和凹陷區里也觀察到周向裂紋，在較高拉應力下SCC 發展非常迅速。我國秦山一期和秦山三期核電站蒸汽發生器傳熱管材料為800合金，大亞灣核電站、嶺澳核電站和秦山二期核電站蒸汽發生器傳熱管材料690合金。這些鎳基合金材料尤其是690 合金，運行時間不夠長，經驗還不足；同時IGA 、IGSCC損傷的影響因素較多（包括水化學情況），所以還必須注意和加強對傳熱管的防護。一般對鎳基合金的IGSCC 可以得出下列幾點：

① Inconel 600合金傳熱管在壓水堆核電站的環境中能發生IGSCC；

② 在泥渣堆和縫隙區等具有濃縮機制的情況下，含有游離堿的高溫水能使鎳基合金傳熱管發生IGSCC；

③ 縫隙和O2對鎳基合金傳熱管在高溫水中SCC有加速作用；

④ 含有Pb和PbO的高溫水能使鎳基合金傳熱管發生應力腐蝕，腐蝕可能是晶間型、也可能是穿晶型、或者是混合型的；

⑤ 鎳基合金在高溫水中的IGSCC，一般需要相當于材料屈服強度的應力。

降低一次側高溫水進口溫度并且添加硼酸，定期進行沖洗和浸泡來消除腐蝕性雜質有利于減輕一次側應力腐蝕。根據運行經驗，熱側進口溫度必須降到302℃以下，腐蝕速率才會有明顯的下降。

參考文獻

[1] 丁訓慎。核電廠蒸氣發生器凹痕腐蝕，二次側水化學處理及其清洗[J].清洗世界，2010, 26（6）：29-35

[2]沈長斌，陶曉杰，楊懷玉。高溫高壓水環境下傳熱管失效形式及防腐措施研究進展[J].腐蝕科學與防護技術，2003,15（4）： 223-227