核電站蒸汽發(fā)生器管板留存異物的危害

楊津瑞，陳銀強(qiáng)，劉一博，舒芝鋒

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所維修中心，武漢430000）

核電站蒸汽發(fā)生器管板留存異物的危害

楊津瑞，陳銀強(qiáng)，劉一博，舒芝鋒

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所維修中心，武漢430000）

蒸汽發(fā)生器在安裝、運(yùn)行、維修期間，可能會(huì)有異物進(jìn)入，這些異物在停堆換料大修時(shí)大多數(shù)可以采用異物抓取手段取出，但部分異物由于被次硬性泥渣掩埋或被傳熱管管束卡住而在某些區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)或停留而很難移除，這些異物長(zhǎng)期留在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板表面，由于機(jī)組運(yùn)行期間水流沖擊、振動(dòng)等都有可能對(duì)傳熱管造成磨損或碰撞。

蒸汽發(fā)生器；異物；危害性

0 概述

核電站蒸汽發(fā)生器二次側(cè)異物是指根據(jù)蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修要求，不應(yīng)該在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)存在的物質(zhì)。這些物質(zhì)可以是蒸汽發(fā)生器本體某一脫落部件，也可以是由于運(yùn)行、維修等原因來自于外部的物質(zhì)。這些異物在停堆換料大修時(shí)，大部分可以采用異物抓取手段取出，但部分異物由于被次硬性泥渣掩埋，或者被傳熱管管束卡住而在某些區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)或停留而很難移除，這部分異物長(zhǎng)期留在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板表面，由于機(jī)組運(yùn)行期間水流沖擊、振動(dòng)等都有可能對(duì)傳熱管造成磨損或碰撞，造成傳熱管破損。自核電站運(yùn)行以來，已發(fā)生多起由于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)異物造成傳熱管磨損的案例。

1 磨損機(jī)理

（1）犁溝磨損機(jī)理（Furrow Wear Mechanics）。犁溝效應(yīng)是指硬金屬的粗糙峰嵌入軟金屬后，硬金屬在位置移動(dòng)中推擠軟金屬，使之塑性變形并犁出1條溝槽。任何物體要占有一定的空間，都要排除以前存在于該處的其他物體。

犁溝理論認(rèn)為摩擦起源于表面粗糙度，滑動(dòng)摩擦中的能量損耗于粗糙峰的相互嚙合、碰撞以及塑性變形，因此在一般情況下，表面凸凹越小，就越不容易磨損。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)零件的表面粗糙度很小時(shí)，由于接觸面積的增大，表面之間的分子作用加強(qiáng)，故摩擦因數(shù)反而劇增，材料的磨損增大，對(duì)這種現(xiàn)象，犁溝理論無法解釋。

（2）粘著磨損機(jī)理（Adhesive Wear Mechanics）。粘著磨損是材料的相互作用起到重要的作用，是接觸面上化學(xué)作用的結(jié)果。粘著磨損理論是固體摩擦理論的重大發(fā)展，該理論首次揭示了實(shí)際接觸面積只占極小的部分，以及接觸峰點(diǎn)的塑性流動(dòng)和瞬時(shí)高溫對(duì)于形成粘著結(jié)點(diǎn)的作用。粘著理論可以解釋許多滑動(dòng)磨損現(xiàn)象。

但粘著磨損理論過分地簡(jiǎn)化了摩擦中的復(fù)雜現(xiàn)象，例如實(shí)際的摩擦表面接觸時(shí)處于彈塑性狀態(tài)，因此摩擦因數(shù)隨著法向載荷的變化而變化，同時(shí)粘著理論不能解釋摩擦表面粗糙度的影響。

（3）疲勞磨損機(jī)理（Fatigue Wear Mechanics）。疲勞磨損理論是指兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過材料疲勞強(qiáng)度的情況下，表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋以上的材料剝落下來的磨損過程。該理論以位錯(cuò)理論為基礎(chǔ)，研究了摩擦表面裂紋的萌生與發(fā)展，它的重要特點(diǎn)是從材料的本質(zhì)上面來闡述磨損過程，用它可以預(yù)測(cè)磨損形貌，并可以定性的解釋摩擦過程中發(fā)生的一些現(xiàn)象。疲勞磨損是相當(dāng)普遍的磨損形式，不僅在滾動(dòng)接觸，而且在滑動(dòng)接觸及其他磨損形式（如微動(dòng)磨損、沖蝕磨損等）中也能發(fā)現(xiàn)不同程度的表面疲勞磨損過程。

（4）磨粒磨損機(jī)理（Abrasive Wear Mechanics）。磨粒磨損指外界硬磨粒或?qū)Ρ砻嫱黄鹞镌谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象。當(dāng)兩接觸表面之間的接觸壓力不大時(shí)會(huì)發(fā)生磨粒磨損，而且磨粒磨損和表面之間的相對(duì)滑動(dòng)速度、磨粒的大小、硬度等密切相關(guān)。這些磨粒指外界帶入的磨?；蛘咦陨碓诮佑|摩擦?xí)r進(jìn)入的一些微粒。

2 異物對(duì)傳熱管的磨損分析

（1）犁溝磨損分析。當(dāng)兩個(gè)表面的硬度相差很大時(shí)，硬的一方在其表面粗糙度較大的情況下，并且摩擦不在同一個(gè)位置反復(fù)地進(jìn)行，而是不斷地在新的堅(jiān)硬的面上進(jìn)行摩擦，這時(shí)候犁溝磨損占主導(dǎo)作用。某核電廠蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板目前存留的異物中以金屬片和濾網(wǎng)絲為主，沒有材料硬度明顯高于傳熱管或管板的異物，因此犁溝磨損機(jī)理在傳熱管磨損中不予考慮。

（2）粘著磨損分析。當(dāng)兩個(gè)表面的硬度相差很小時(shí)，而且容易產(chǎn)生塑性變形，構(gòu)成兩者表面的各自的結(jié)構(gòu)，其分子級(jí)很接近（例如易于制成合金者），以及潤(rùn)滑效果較差的情況下，兩者表面的粘著磨損起主導(dǎo)作用。對(duì)于緊貼傳熱管的異物，如表1中異物6，異物與傳熱管硬度接近，粘著磨損機(jī)理適用于解釋傳熱管的磨損。

（3）疲勞磨損分析。當(dāng)兩個(gè)表面被犁削或者發(fā)生粘著的作用傾向較小時(shí)，在載荷變動(dòng)很迅速的情況下，表面部分不易被磨掉，而一直保持到發(fā)生疲勞磨損為止。對(duì)于部分露出次硬性泥渣的異物，如表1中異物14，異物露出部分在水流往復(fù)沖刷下載荷周期性迅速變動(dòng)，此時(shí)，疲勞磨損起主要作用。

（4）磨粒磨損分析。在低接觸壓力的情況下，由于磨粒在兩接觸表面相對(duì)位置的間歇離開時(shí)進(jìn)入，或者接觸表面自身剝落的一些磨粒參與兩表面之間的摩擦，就伴有磨粒磨損發(fā)生。而在高的接觸壓力下以粘著磨損為主。蒸汽發(fā)生器傳熱管表面光滑度較高，異物通常表面不規(guī)則，如表1中異物16，同時(shí)考慮到管板泥渣多為微小顆粒，在兩者法向載荷較小的情況下，磨粒磨損起主要作用。

表1 某蒸汽發(fā)生器存留異物情況統(tǒng)計(jì)表

3 存留異物危害性分析

3.1 存留異物危害性計(jì)算依據(jù)

對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管磨損起主要作用的是疲勞磨損、磨粒磨損和粘著磨損。針對(duì)以上磨損機(jī)理，目前應(yīng)用比較廣泛的物理模型為Archard計(jì)算模型。根據(jù)Archard計(jì)算模型可以得出磨損量V的計(jì)算見公式（1）

式中K為磨損系數(shù)（Pa-1），N為法向載荷（N），L為摩擦行程（m），H為較軟材料的表面硬度（HB）。

從式（1）可以得出3條磨損定律：①磨損量與摩擦行程成正比；②磨損量與法向載荷成正比；③磨損量與較軟材料的表面硬度成反比。

根據(jù)公式（1），分析某核電廠目前存留的異物，由于濾網(wǎng)絲及絕大部分埋入次硬性泥渣的金屬片均難以與傳熱管形成有效的摩擦行程，因此對(duì)傳熱管的磨損很小。對(duì)于傳熱管磨損危害較大的為一端被次硬性泥渣掩埋固定，自由端在二次側(cè)流體沖刷下產(chǎn)生振動(dòng)的異物。就異物支撐形式而言，異物自由端伸出越多、異物支撐點(diǎn)越少，異物的振幅就越大，對(duì)傳熱管的磨損更加明顯。

3.2 存留異物磨損建模計(jì)算

根據(jù)上述分析，參照現(xiàn)存留異物中危害相對(duì)較大異物，選表1中異物4建立模型。其形態(tài)為金屬片，長(zhǎng)30 mm，寬5 mm，厚0.3 mm，密度參照304不銹鋼取7.93 g/cm3，質(zhì)量0.36 g。金屬片部分埋入次硬性泥渣為固定端，部分露在外面為自由端。建模中，為保留足夠的安全裕量，在該異物基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)展進(jìn)行建模。異物模型為金屬圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑4 mm，長(zhǎng)50 mm，位置選擇在橫向流速最大的下降通道出口處。參照文獻(xiàn)對(duì)核電站多種工況下磨損體積的分析計(jì)算，得出在30年壽期內(nèi)總磨損體積為10-10mm2量級(jí)，而傳熱管磨損到需要堵管的臨界深度（40%傳熱管厚度）時(shí)磨損體積為2 mm2。由此可知，質(zhì)量不大的異物對(duì)傳熱管的磨損并不明顯。

此外，升降溫以及升降功率瞬態(tài)下的接觸力較大，但是其運(yùn)行次數(shù)少，對(duì)傳熱管磨損體積的影響并不明顯。而周期性脈動(dòng)具有相當(dāng)高的振動(dòng)頻率，對(duì)磨損體積的增加起主要作用。

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述分析得出，某核電廠現(xiàn)有存留異物對(duì)蒸汽發(fā)生器的危害性較小。同時(shí)通過對(duì)某核電廠4臺(tái)蒸汽發(fā)生器存留異物歷次大修的跟蹤檢查，其形狀、位置均無明顯變化，通過對(duì)附近傳熱管的渦流檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)明顯管壁減薄現(xiàn)象，該檢查結(jié)果與理論分析一致。此外，考慮到異物中對(duì)傳熱管磨損影響較大的為異物自由端的部分，因此應(yīng)考慮后續(xù)工作中通過專用工具或高壓水切割等方式將異物自由端部分切除并取出，以降低其危害性。

［1］鄧守軍.磨損機(jī)理的變遷與現(xiàn)狀［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，17，（6）.

［2］王衛(wèi)華.深井河超深井套管磨損研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油機(jī)械，2005，33，（12）.

［3］王天華.換熱器傳熱管微振磨損的實(shí)驗(yàn)研究［J］.核動(dòng)力工程，1990，11，（4）.

［4］侯勇俊，王文武.套管磨損研究進(jìn)展［J］.鉆采工藝，2007，24，（5）.

［5］汪選國(guó).磨損數(shù)值仿真技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24，（2）.

［6］薛玉君，程先華，黃文振.斷裂力學(xué)和有限元法在疲勞磨損研究中的應(yīng)用［J］.機(jī)械強(qiáng)度.2001，23，（3）.

［7］桂長(zhǎng)林.Archard的磨損設(shè)計(jì)計(jì)算模型及其應(yīng)用方法［J］.潤(rùn)滑與密封，1990，（1）.

［8］陳銀強(qiáng).外來物對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管微動(dòng)磨損的分析研究［J］.核動(dòng)力工程，2011，2，（1）.

〔編輯 李波〕

TL353+.13

B

DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.12