分享：稳压器电加热元件包壳管变色原因

舒 茗1,徐 祺1,王 浩1,赵兴保2

(1.中国核动力研究设计院,成都 610213;2.福建福清核电有限公司,福清 350318) 

摘 要:对某核电站稳压器电加热元件的包壳管变色原因进行了分析。结果表明:不锈钢包壳 管长期暴露在高温环境中,其表面生成了均匀、致密的保护性氧化膜,氧化膜颗粒细小;变色包壳管 材料不同部位的晶粒度均为6.5~7级,未出现晶粒异常长大的现象,非金属夹杂物和α相含量无 异常;包壳管与端塞处焊缝未观察到裂纹。 

关键词:稳压器;电加热元件;包壳管;变色

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0068-05

稳压器是压水堆核电站一回路的关键设备之 一,其功能主要包括以下3个方面[1-2]:运行工况下 控制反应堆冷却剂系统的压力,以保证机组的运行 安全;防止系统超压;反应堆冷启动或停堆时,对冷 却剂系统进行升温、升压或降压。稳压器电加热元 件是稳压器实现上述设计功能的核心部件,同时也 是一回路压力系统边界的组成部分。国内某核电厂 在机组大修期间,该机组稳压器有30根电加热元件 存在表面变色情况。由于稳压器电加热元件包壳管 破损将可能导致一回路放射性介质泄漏到环境中, 因此确定变色电加热元件包壳管压力边界的完整性 是十分必要的。 

在反应堆运行期间,在高温、高压、辐照和介质 耦合的共同作用下,结构材料的微观组织(如晶粒尺 寸、夹杂物等)可能发生改变[3],材料的力学性能也 可能变差。同时,在核电一回路高温水化学条件下, 包壳管表面氧化膜的成分、厚度及完整性与包壳管 的变色有直接联系。

发生变色的稳压器电加热元件所在机组为法国 M310型压水堆核电机组。电加热元件结构分为加 热部分和电气部分,其结构如图1所示,其中加热段 位于连接件以上,包括连接件、外包壳、端塞、包壳内 绝缘填充物和电加热丝等。连接件以上部分总长约 为2100mm,整个包壳段分为冷段、加热段和热段, 长度分别为470,1150,530 mm,包壳材料为 AISI 316L不锈钢[4]。

笔者利用光 学 显 微 镜(OP)和 扫 描 电 子 显 微 镜(SEM)观 察 某 稳 压 器 电 加 热 元 件 包 壳 管 表 面氧化膜的微观形 貌,采 用 能 谱 分 析 法(EDS)得 到 氧化膜的化学成分,使 用 电 子 万 能 力 学 试 验 机 对 变色管段进行拉伸试验,来验证变色的电加热元 件是否失效。 

1 理化检验 

1.1 化学成分分析

从变色的30根电加热元件中抽取3根(编号分 别为1# ,2# ,3# )进行 EDS成分分析、金相检验和 扫描电镜分析。3根电加热元件包壳管的化学成分 如表1所示,结果符合标准 RCC-M 《压水堆核岛机 械设备设计和建造规则》。对包壳管进行严格的放 射性去污后,从每根电加热元件的冷段、过渡段和热 段上分别制取试样,具体取样位置及编号如图2所 示。试样为管状,长度为10mm,直径为22mm,对 金相检验试样进行研磨和抛光。

1.2 扫描电镜及能谱分析 

利用扫描电子显微镜和能谱仪进行分析,观察 外包壳管表面氧化膜的微观形貌,并对比不同位置 的化学成分。按照 GB/T6394—2017《金属平均晶 粒度测定方法》、GB/T13305—2008 《不锈钢中 α- 相面积含量金相测定法》和 GB/T10561—2005《钢 中非金属夹杂物含量的测定———标准评级图显微检 验法》的要求,在高倍下观察外包壳管的微观形貌, 检测晶粒度、非金属夹杂物、α-铁素体含量等。使用 EDS测量氧化膜的化学成分,比较不同部位氧化膜 成分的变化,分析变色包壳管微观形貌的变化情况。

变色电加热元件包壳管的冷段、热段及过渡段 表面氧化膜的微观形貌如图3所示,由图3可知,所 有试样表面均覆盖一层均匀致密的氧化膜,未见裸 露的金属及裂纹、蚀坑等缺陷,说明不锈钢外包壳管在高温水中发生均匀腐蚀,表面生成具有一定保护 性的氧化膜。氧化膜主要呈颗粒状:主要为排列紧 密的小颗粒氧化物,尺寸约为0.1μm~0.5μm,与 金属基体紧密结合;其次为大颗粒结晶状氧化物颗 粒,尺寸约为0.5μm~2μm,这些氧化物有的嵌入 小颗粒氧化层内,有的则比较松散;还有一类数量较 少的呈疏松毛状的沉积物,分散覆盖在小颗粒氧化 层上,该类沉积物在冷段分布很少,在加热段和加热 段相对分布较多。

为了进一步分析氧化膜成分,对2# 试样各种形 态的氧化物进行了能谱分析,分析位置如图4~6所 示,分析结果如表2~4所示。构成氧化膜的小颗粒 位置为图4 中的位置5和位置6,图5中的位置3 和位置4,以及图6中的位置4和位置5,其主要是 不锈钢的正常氧化物,其组成元素为铁、铬、镍、钼和 氧元素,氧化物金属元素的比例与合金元素比例基 本相当,说明氧化膜较薄,部分能谱的元素信号可能 来自于基体金属。大颗粒氧化物分析位置为图4中 的位置3和位置4,其组成主要是铁氧化物,铬、镍 等合金元素含量较少。疏松沉积物分析位置为图4 中的位置1和位置2,图5中的位置1,2,5以及图6 中的位置2,其主要成分为镁、氧元素以及微量的钙 元素。这些镁钙氧化物可能是冷却剂的水垢。

1.3 金相检验

对3根电加热元件包壳管的冷段、加热段、热 段进行金相检验,显微组织如图7所示,晶粒度如 表5所示(晶粒度设计要求为不大于2级)。3根 电加热元件包壳管所有部位的晶粒度均为6.5~7 级,表明其 并 未 因 变 色 出 现 晶 粒 不 均 匀。同 时 进 一步测定非金属夹杂物和α铁素体的含量,3个试 样的夹杂物等级均为 D 类,1# 试样的冷段、热段、 过渡段夹杂 物 等 级 均 为 2.5 级;2# 试 样 的 冷 段 夹 杂物等级为3级,热段夹杂物等级为2级,过渡段 夹杂物等级为3级;3# 试样的冷段夹杂物等级为3 级,热段夹杂物等级为2.5级,过渡段夹杂物等级 为2.5 级。3 个 试 样 的 α 铁 素 体 含 量 级 别 均 为0.5级。

焊缝是包壳管上较为脆弱的位置,更容易因环 境恶化而出现裂纹或发生破裂。对包壳管与端塞间 焊缝进行金相检验,结果如图8所示,由图8可知, 焊 缝 处 无 裂 纹、未 焊 透、未 熔 合 及 尺 寸 不 小 于 0.2mm 的气孔,显微镜下未观察到裂纹和影响接 头性能的沉淀物。

1.4 力学性能测试

从3 根 电 加 热 元 件 上 各 取1 个 试 样(位 于 外 包 壳 热 段),参 照 GB/T4338—2006 《金 属 材 料 高 温 拉 伸 试 验 方 法 》和 GB/T228.2—2015 《金 属 材 料 拉 伸 试 验 第 2 部 分 :高 温 试 验 方 法 》的 要 求 ,使 用 WDW-100C型 电 子 万 能 试 验 机 开 展 360 ℃ 下 的 拉 伸 试 验 ,获 得 材 料 的 抗 拉 强 度 和 屈服 强 度 。 拉 伸 试 验 结 果 如 表 6 所 示 ,由 表 6 可知 ,所 有 变 色 包 壳 管 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 均 满 足 设 计 要 求 。 值 得 注 意 的 是 ,相 比 较 2# 和 3# 电 加 热 元 件 包 壳 管 ,1# 电 加 热 元 件 包 壳 管 的 抗拉 强 度 和 屈 服 强 度 都 明 显 偏 低 。 考 虑 到 1# 电加 热 元 件 包 壳 管 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 远 高 于设 计 要 求 值 ,一 回 路 压 力 边 界 的 完 整 性 依 然 可 以 得 到 保 障 。

2 结论

(1)包壳管外表面氧化层颗粒细小,是不锈钢 在高温水中长期暴露而在其表面生成的保护性氧化 膜。同一电加热元件不同部位(冷段、过渡段和热 段)的氧化物没有明显差异,SEM 下观察均有小颗 粒氧化物(0.1μm~0.5μm)构成的氧化膜主体,并 嵌入了稍大的氧化物颗粒(0.5μm~2.0μm),以及 少量疏松沉积物。

(2)包壳管变色未引起材料显微组织的明显变 化,切割下来的3根变色电加热元件包壳管的晶粒 度均为6.5~7级,未出现异常,非金属夹杂物和 α 铁素体含量无异常,且冷段、热段和过渡段无明显差 异。包壳管与端塞间焊缝未出现裂纹。 (3)360 ℃高温下,3根变色电加热元件包壳管 的抗拉强度和屈服强度依然满足设计要求。 

参考文献:

[1] 聂春福.压水堆蒸汽式稳压器[J].核动力工程,1987, 8(3):24-34. [2] 张婷.浅谈 核 岛 稳 压 器 [J].科 技 创 新 与 应 用,2013 (24):300. [3] 许维钧,马 春 来,沙 仁 礼.核 工 业 中 的 腐 蚀 与 防 护 [M].北京:化学工业出版社,1993. [4] 原瑜,王天先,王文利,等.Z2CND17-12 不 锈 钢 自 动 脉冲 TIG 焊性能试 验[J].电 焊 机,2018,48(8):92- 95,103.

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