邹时晨 刘凤英

摘要：我国核电事业处于高速发展的阶段，而我国的核电事业之所以能够有如此发展，归功于我国核电事业的结构、系统和部件的安全。从我国各层级科学家们的努力来看，为了保障我国核电事业的稳定前进，付出了不少的努力。众所周知，核电系统的正常运行以及安全关乎到核电工作能否正常进行，而循环水系统是核电系统的一个关键组成部分，里面的换热器更是关系到降温问题，一旦换热器出现故障，很有可能会造成放射性废弃物的泄漏。本文对我国核电站RCW系统换热器的一根多次泄漏的换热管进行了失效分析，探索分析了换热器失效的解决对策。

关键词：核电装置;换热器;失效分析;解决对策

一.引言

中国核电事业的蓬勃发展离不开其在确保结构、系统和部件安全方面的巨大努力，为此，除了对即将到来的第三代反应堆进行优化设计和改进建设外，还着重对运行中的反应堆进行在役检查、在线监测、定期试验和故障分析等，以便对运行中的反应堆进行有效和高效的老化管理[1]。循环冷却水系统作为冷却系统中的一种，利用海水作为慢化剂的最终散热器，其重要性不及核岛系统。然而，这个系统中的设备和部件的安全，当然也包括防喷器中的其他系统，仍然值得特别注意。它们一旦发生故障，不仅会造成大修停工造成的经济损失，而且还可能引发放射性废物污染海水的潜在社会恐慌。

二.核电装置换热器研究现状

本文对我国核电站RCW系统海水换热器泄漏的大量钛管进行了综合失效分析，确定了其失效的根本原因是伽伐尼腐蚀、缝隙腐蚀、氢气泡和氢脆等电化学腐蚀与堵塞、微动和表面损伤等机械退化的协同作用。随后，操作人员迅速采取了所提出的反措施，从此证明是完全有效的。然而，一些单独的管子被发现几年后再次泄漏。虽然每台换热器的管数为4932个，泄漏率的可接受限度一般为5%，不会影响换热器的正常运行，但为了确保该核电站的“绝对安全”概念，仍有必要进行故障原因分析。为此，本文对该核电站RCW系统换热器的一根多次泄漏的换热管进行了失效分析。

三.失效数值分析与对策

3.1.目视观察

在核电站的RCW系统中，共有8套水平管壳式换热器，尺寸为φ2400×15，000mm。该换热器配有4932根尺寸为φ19×14，630×0.71mm的换热钛管，其中外壳侧输送淡化海水，管侧输送海水。实际上，管子在检测到泄漏后就立即又被堵塞了，这一定是某种沉积物淤积的原因。然后，又将泄漏的管子从管板中抽出并进行部分切割以便研究，从中可以清楚地观察到泄漏的情况。

3.2调查方法

为了找出泄漏管道的故障原因，我们采用了一系列的角色塑造方法从现场采集样品。对于管道本身，除了用光学显微镜（OM）观察其宏观形貌外，还用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析了管道断口的微观形貌和微区化学成分。在塞子方面，采用光电直读光谱仪检测基体材料的化学成分。此外，沉积物用属性X射线荧光光谱仪（XRF）和x射线衍射（XRD）测定其组分。

四.结果与讨论

4.1.基材检验

由于这些RCW热交换器中的钛管在我们以前的工作中已经确认合格，所以这次只检查了塞子。塞子由一个螺钉和两个螺母组成，所有螺母都已腐蚀。然后，对这三个部分的化学成分进行了检测。这三个部分的化学成分基本符合ISO 3506-1和 ISO 3506-2标准中 a 3级奥氏体不锈钢的要求（分别相当于中国 GB/t 3098.6和 GB/t 3098.15标准），接近于 ASTM A193/A193M标准中的304奥氏体不锈钢。但螺杆中铬的含量低于要求，这可能是三种螺杆中铬腐蚀最严重的原因。

4.2传播环境分析

沉积物主要含有硅、氧化铝和来自海水的盐类，以及铁氧化物，这是由于RCW系统中铁基设备的腐蚀造成的。通过x射线衍射分析，可以确定，虽然沉积物中的成分非常复杂，但主要的两个成分是天然海砂SiO2和腐蚀产物氧化铁-氢氧化铁FeO（OH），与XRF结果一致。特别值得注意的是，由于沉积物中没有检测到钛，管道可能没有发生腐蚀。

4.3显微形态观察

利用光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等分析手段，对泄漏管的断裂进行了详细分析。如图1所示，在断裂处存在三种形态，包括切边、卷曲条和鹿角形，在下文中将简称为a.b和c。此外，可以了解到，破裂的边缘已经变薄，管的内壁覆盖着棕色的锈蚀，而外壁是光亮的，没有任何腐蚀的迹象。清楚地表明管壁厚度的变薄是从管的内壁开始的，变薄边缘的宽度约为0.5mm。在薄的边缘上存在着不同机制造成的各种退化痕迹，包括颗粒碰撞、流体侵蚀、磨料侵蚀、基材脱落等，表明这一地区的使用条件非常复杂。经过放大，我们还可以发现这些痕迹甚至伴随着微裂纹。然后，为了进一步研究，用EDS检测了这些降解痕迹的微区化学成分，不难推断，这应该是腐蚀产物、天然海沙、海盐和来自沉积物的橡胶碎片的混合物。特别是，这些颗粒还作为介质诱导冲击和磨料侵蚀，最终导致基体材料脱落，并导致相似的微区化学组成。

根据前人的工作[2，3]，从电化学腐蚀和机械退化两个方面分析了造成这些RCW换热器钛管泄漏的原因。由于x射线荧光光谱仪和x射线衍射仪在沉积物中没有检测到钛元素，也就是说，没有发现腐蚀的证据。因此，本文提出的防止电化学腐蚀的对策一方面是有效的，另一方面应重点关注机械腐蚀。经咨询实地工作人员后，我们了解到，这个问题基本上是不可避免和补救的，因为目前没有可行和有效的方法找出嵌入机械损坏直至穿孔地在用管。让我们回顾一下上面提到的破裂的不同形态。显然，它们是由于管道内壁局部表面几何变化引起的湍流，而不是由于直线流动的纯粹侵蚀，例如拉丝头存在预先存在的损伤。当湍流形成时，这些位置将发生涡蚀，其程度是纯侵蚀的数倍，通常会产生各种各样的侵蚀痕迹。目前认为，某些钛管拉拔頭内壁的机械损伤实际上是引起湍流的最初原因，从而导致多种机械破坏机制，形成多种形貌。

五.结束语

综上所述，不难看出核电装置换热器的失效的原因非常多，但是基本可以概括为电化学腐蚀和机械退化两个方面，要解决这些问题，应从设备的运行环境，日常维护和检修等方面着手，避免此类问题的发生。相关运行人员也应密切观察核电装置换热器的运行情况，及时对故障进行排查，才能确保核电工作的安全进行。

参考文献

[1]李晓青.蒸馏装置换热器腐蚀失效分析与对策[J].石油化工设计，2013（01）：35-36.

[2]姜媛媛，刘飞华，白荣国，等.核电站换热器腐蚀失效原因分析[J].全面腐蚀控制，2012（11）：63-66.

[3]徐鑫.换热器在核电站的应用及其性能分析[J].工程技术（文摘版），2016（8）：00109-00109.