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材料腐蚀与防护研究是核电安全高效发展的重要环节

发布时间:2018-01-29    来源:尚核电力

一座压水堆核电站,有数百个系统、几万台(套)设备。在核电站的高额投资中,设备费用占到将近一半。核电设备的质量与可靠性,决定了核电的安全性和经济性。
我国核电机组以压水堆为主,在役和在建核电机组中,压水堆核电站占到95%以上。压水堆核电站的设备分为核岛设备、常规岛设备与BOP(核电站配套子项)设备三大类。按照设备服役工况或使用功能的不同,可分为核一级、核二级、核三级和非核级。有核级要求的设备及部件,其所用材料称为核电关键材料。

核岛设备,特别是核岛主设备,是核电站的核心。核岛主设备包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、控制棒驱动机构、堆内构件、主管道、主泵等,构成了压水堆冷却剂回路即一回路,是防止反应堆放射性物质外泄的第一道屏障。核岛主设备及部件与核安全紧密相关,可靠性要求最高。由于长期在高温和强辐射条件下工作,对核电关键材料的要求也最严格。在材料选择和制造过程中,不仅要考虑强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能等常规性能的要求,而且必须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等的变化,以及材料与环境介质的相容性等。

反应堆压力容器是装载堆芯、支撑堆内构件和容纳回路冷却剂并维持其压力的堆本体承压壳体,由上、下封头和筒体组成,具有密封放射性、阻止裂变产物逸散的功能。在核电站的整个寿期内,压力容器是不可更换的。目前国内外广泛采用低合金钢作为反应堆压力容器材料。为了防止与冷却剂接触产生腐蚀,在低合金钢的内壁堆焊不锈钢。

蒸汽发生器是将压水堆一回路的热能传递给二回路介质以产生蒸汽的热交换设备,由简体、管板、汽水分离器及外壳容器、传热管等部件组成。筒体管板采用与压力容器相同或相近的低合金钢材料,在一回路冷却剂侧堆焊有不锈钢。传热管起一、二回路能量交换作用,对一回路压力边界完整性有重大影响,目前采用690、800等镍基合金材料。传热管在特定结构和介质条件下,承受高温、高压和管子内外的压差以及腐蚀、水力振动等工况的作用,容易造成各种类型的腐蚀特别是应力腐蚀破坏,是核电站因腐蚀导致失效实例最多的部件。

反应堆堆内构件包括压紧板、导向筒、吊篮围板、流量分配板、上下栅格组件等,主要起支撑燃料组件、为控制棒及堆芯测量装置等提供支撑和导向、合理分配冷却剂流和减少压力容器内表面的中子注入量等作用。堆内构件面对活性区,受到冷却剂冲刷和高温高压作用,通常选用强度高、塑韧性好、高温性能好、中子吸收和中子俘获截面小的奥氏体不锈钢及部分镍基合金。

反应堆一回路管道是维持和约束冷却剂循环流动的通道,要求有优良的耐腐蚀性能、足够的强度、塑性和热强性能,材料的钴含量尽量低。一回路管道材料通常选用精密铸造的奥氏体不锈钢或整体锻造的奥氏体不锈钢。

尽管核岛主设备的关键材料有优良的综合性能,但由于在高温、高辐照等特殊环境中工作,因腐蚀、特别是应力腐蚀导致的设备及部件失效实例并不少见。应力腐蚀导致的设备及部件失效给核电站带来巨大的经济损失,也给核电安全运行带来潜在的威胁。有核电的世界各国都投入大量经费用于开展核岛主设备材料的腐蚀与防护研究工作。研究的重点包括:蒸汽发生器传热管的腐蚀失效,异种金属材料焊接件的腐蚀破裂,强辐射环境中不锈钢材料的应力腐蚀破裂,以及反应堆一回路水化学控制等。

核岛主设备直接与反应堆冷却剂接触,腐蚀防护的主要手段是实行严格的一回路水化学控制。一回路水化学控制包括:加氢抑制一回路水的辐照分解,降低水中溶解氧的含量;精确调节和控制一回路水的pH,防止和减少一回路内部材料的腐蚀;加锌抑制活化腐蚀产物在一回路管道表面的沉积,降低回路周围空间的辐射剂量水平等。

除核岛主设备外,核岛安全壳系统也是核电站设备腐蚀防护研究和关注的重点。安全壳作为核电站防止放射性物质外泄的最后一道屏障,承担重要的安全功能。目前,压水堆核电站的安全壳有两种结构,一种是单层安全壳,在混凝土结构的内壁衬有约6mm的低碳钢。另一种是双层安全壳,外层为混凝土屏蔽构筑物,内层为低碳钢安全壳。混凝土和钢材表面都有保护涂层。安全壳系统用的涂料称为核级涂料,除常规要求外,还需要有优良的抗辐照、去污、抗热老化、以及在核电站设计基准事故下保持涂层完整性等一系列特殊要求。在非能动核电站中,安全壳涂层还要求良好的传热和湿润性能。

常规岛设备主要为碳钢和低合金钢,面临的腐蚀问题与常规火力发电厂类同,主要差别在于核电站汽轮机的进气为饱和蒸汽,需要更多考虑湿蒸汽侵蚀造成的影响。防护手段主要依靠二回路水化学控制,以减少与二回路介质接触的设备和管道材料的腐蚀。同时要加强对二回路系统内各种材料腐蚀情况的监测,及时探知和发现材料损伤情况,防止事故的发生。
由于核电的高度政治敏感性,一旦发生事故,即使与核安全无关,也会在社会上产生巨大反响。日本美滨核电厂曾经发生过一起常规岛管道破裂事故,高温高压水从管道中喷出,导致多名工作人员死伤。事故原因是碳钢管道内侧发生流动加速腐蚀(FAC),管道壁变薄,又没有及时发现,在高温高压下发生破裂。事故引发了全社会对核电安全的关注。

核电站BOP设备的腐蚀问题与其他工业设施基本相同。目前,我国核电站全都建在东南沿海地区,构筑物和设备及部件中大量使用的碳钢材料长期在海水中浸泡,有的直接与腐蚀性大气环境接触,腐蚀与防护问题比较突出。采取的防护手段主要有各种涂层保护、电化学保护(如阴极保护)以及其他一些措施(如充氮和表面涂膜)等。
与发达国家相比,我国核电建设起步较晚。借助于后发优势,我们充分借鉴了国外核电发展的经验和教训,有效地避免了国外曾经出现过的诸如蒸汽发生器传热管应力腐蚀破裂等一些典型事故。

当前,我国核电已经进入规模化批量化发展的新阶段,成为世界上发展最快、新建机组最多的国家。设计自主化、材料国产化的第三代核电技术对机组提出了更高参数和更长设计寿命(60年)的要求,对核电材料在服役环境中的腐蚀防护研究提出了新的挑战。与此同时,随着我国在役核电机组服役时间的推移,机组老化及设备可靠性问题将进一步凸显,老机组扩容延寿问题也将提上议事日程。

加强对核电设备材料腐蚀与防护问题的研究,对于保障我国核电运行安全、进一步提高核电的可利用率和经济性、以及推进中国核电“走出去”,都具有十分重要的意义。



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