Vol.5.8.2

核电站蒸汽发生器传热管失效类型[1,2]

蒸汽发生器是压水堆动力装置的关键设备之一，无论是用奥氏体不锈钢，还是用Monel或Inconel 600 作管材，其破损主要是由各种形式的腐蚀造成的。腐蚀及失效形式类型有：点蚀、微振腐蚀与高周疲劳、耗蚀与凹痕、应力腐蚀（一次侧应力腐蚀（PWSCC）、二次侧晶间腐蚀和应力腐蚀（IGA和IGSCC））。

 01

点蚀

点蚀主要发生在蒸汽发生器冷侧管板与第1 块支撑板间的泥渣堆中或有污垢的管段上，在该处形成局部垢下腐蚀电池。在氧化环境下或有Cu2+时，会加快点蚀的进程。

 02

微振腐蚀与高周疲劳

引起微振磨损的原因是流体流过管束时产生的振动。传热管在防振条或支撑板的接触处产生磨损，传热管会出现严重的减薄现象。如果在U形弯头区的防振条离支撑点过远或者传热管与防振条之间的间隙太大，都会在U形弯头区出现微振磨损。

高周疲劳是由于在U形弯管区流体流动诱发的振动和含有杂质的工质浓缩而造成的。传热管高的残余应力、微振磨损或微裂纹、工质杂质的浓缩等都会降低Inconel 600 的疲劳强度。

 03

耗蚀（wastage）与凹痕（denting）

由于传热管与支撑板之间缝隙较多，可积聚二次侧水中的杂质，水平管板上也会堆积泥渣，这些缝隙和泥渣的堆积为传热管的腐蚀提供了环境条件。二回路系统和凝汽器的泄漏，会吸入空气和污染冷却水，也会对传热管产生腐蚀。早期压水堆蒸汽发生器传热管用Inconel 600 制造，二次侧水的化学处理为磷酸盐，结果磷酸钠在缝隙和泥渣浓缩，造成在这些区域内传热管的耗蚀（管壁减薄）。现在二次侧水的化学处理由磷酸盐处理改为全挥发处理（AVT），在严格净化的给水中加入氨，传热管腐蚀（变薄）和耗蚀的发生率下降。但AVT 处理又带来另一种腐蚀，pH 会有所下降。这时，当氯化物进入锅水时，支撑板间隙中会形成NiCl2和FeCl3，加速碳钢支撑板内壁的腐蚀。在酸性环境里，当Cl-含量为20μg ?kg-1、间隙为0.305 mm时，预测凹痕腐蚀开始形成的时间为2.5a。

①法国蒸汽发生器中的凹痕腐蚀。

对于1300MW 机组蒸汽发生器上发生的传热管变形和破裂，法国电力公司进行了检查和研究。研究发现沉积物成分主要不是泥渣（即腐蚀产物），而是蒸汽发生器二次侧筒体一条环焊缝在现场焊接时，残留焊条焊渣和打磨铁屑进入二次侧，运行前没有除去。运行时，二次侧水温度升高，亚铁化合物粒子被氧化，形成的磁性氧化铁（Fe3O4）聚结和膨胀，挤压传热管的胀管过渡段，发生凹痕腐蚀现象，因内壁应力过大而引起一次侧晶间应力腐蚀破裂；

②美国蒸汽发生器中的凹痕腐蚀。

1975年末，美国一些核电厂蒸汽发生器里发现了传热管凹痕腐蚀。对传热管作例行ET时，发现支撑板内的传热管壁面被压凹，涡流探头不能通过。这种压凹现象是由于碳钢支撑板内的腐蚀产物堆积在传热管与支撑板间隙内而造成的。如果支撑板变形严重，作用在传热管上的力不对称，使得传热管横截面变为肾状。当这些蒸汽发生器继续运行时，可能诱发一次侧或二次侧晶间应力腐蚀。在U形弯头支撑板处还会对高周疲劳变得更为敏感。

早期设计的蒸汽发生器中，支撑板为钻孔结构，材料为碳钢。传热管与支撑板接触面很小，接触面所占圆周的角度有限。在接触面附近，由于工质流动受到阻碍，液体不足，导致传热恶化，在传热面上产生干湿交替或在间隙中形成汽垫，而在间隙较大的传热面上则产生正常的沸腾现象。间隙内如积累腐蚀产物，将增大通过间隙的流动阻力，加速间隙中流体不足现象，进而加速杂质的浓缩和沉积。

 04

一次侧应力腐蚀（PWSCC）

一次侧应力腐蚀集中发生在Inconel 600 蒸汽发生器，是一种晶间腐蚀破裂。一次侧水温是导致PWSCC 的一个主要因素。一般只有在热侧胀管过渡区里才发生，在胀管过渡区和凹痕区里，周向和轴向裂纹都会发生。

 05

二次侧的IGA 和IGSCC

有一段时间，蒸汽发生器传热管二次侧的晶间腐蚀（IGA）和沿晶型的应力腐蚀（IGSCC）已成为传热管腐蚀破损的主要机理。这类腐蚀的发生率相当高，并且腐蚀速率很快。IGA 是沿传热管表面晶粒边界出现均匀或比较均匀的腐蚀，发生在蒸干区如泥渣堆和缝隙里。IGA 经常是IGSCC的先兆，即在早期发生比较均匀的腐蚀（管壁减薄），应力增加后IGA会加速演变为IGSCC。IGA与IGSCC的主要区别在于应力对IGA 的影响不显著，在没有拉应力存在的情况下也会发生。而应力对IGA 的发生和增长有加速作用，IGSCC 需要3个条件： 即拉应力，敏感的材料和腐蚀环境（高温水并含有腐蚀性杂质）。

IGSCC的腐蚀形态是裂纹的扩展都是沿晶发展，大多数IGSCC的裂纹呈轴向，但在胀管过渡区和凹陷区里也观察到周向裂纹，在较高拉应力下SCC 发展非常迅速。我国秦山一期和秦山三期核电站蒸汽发生器传热管材料为800合金，大亚湾核电站、岭澳核电站和秦山二期核电站蒸汽发生器传热管材料690合金。这些镍基合金材料尤其是690 合金，运行时间不够长，经验还不足；同时IGA 、IGSCC损伤的影响因素较多（包括水化学情况），所以还必须注意和加强对传热管的防护。一般对镍基合金的IGSCC 可以得出下列几点：

① Inconel 600合金传热管在压水堆核电站的环境中能发生IGSCC；

② 在泥渣堆和缝隙区等具有浓缩机制的情况下，含有游离碱的高温水能使镍基合金传热管发生IGSCC；

③ 缝隙和O2对镍基合金传热管在高温水中SCC有加速作用；

④ 含有Pb和PbO的高温水能使镍基合金传热管发生应力腐蚀，腐蚀可能是晶间型、也可能是穿晶型、或者是混合型的；

⑤ 镍基合金在高温水中的IGSCC，一般需要相当于材料屈服强度的应力。

降低一次侧高温水进口温度并且添加硼酸，定期进行冲洗和浸泡来消除腐蚀性杂质有利于减轻一次侧应力腐蚀。根据运行经验，热侧进口温度必须降到302℃以下，腐蚀速率才会有明显的下降。

参考文献

[1] 丁训慎。核电厂蒸气发生器凹痕腐蚀，二次侧水化学处理及其清洗[J].清洗世界，2010, 26（6）：29-35

[2]沈长斌，陶晓杰，杨怀玉。高温高压水环境下传热管失效形式及防腐措施研究进展[J].腐蚀科学与防护技术，2003,15（4）： 223-227