核电站蒸汽发生器管板留存异物的危害

杨津瑞，陈银强，刘一博，舒芝锋

（核动力运行研究所维修中心，武汉430000）

核电站蒸汽发生器管板留存异物的危害

杨津瑞，陈银强，刘一博，舒芝锋

（核动力运行研究所维修中心，武汉430000）

蒸汽发生器在安装、运行、维修期间，可能会有异物进入，这些异物在停堆换料大修时大多数可以采用异物抓取手段取出，但部分异物由于被次硬性泥渣掩埋或被传热管管束卡住而在某些区域内运动或停留而很难移除，这些异物长期留在蒸汽发生器二次侧管板表面，由于机组运行期间水流冲击、振动等都有可能对传热管造成磨损或碰撞。

蒸汽发生器；异物；危害性

0 概述

核电站蒸汽发生器二次侧异物是指根据蒸汽发生器的设计、运行和维修要求，不应该在蒸汽发生器二次侧存在的物质。这些物质可以是蒸汽发生器本体某一脱落部件，也可以是由于运行、维修等原因来自于外部的物质。这些异物在停堆换料大修时，大部分可以采用异物抓取手段取出，但部分异物由于被次硬性泥渣掩埋，或者被传热管管束卡住而在某些区域内运动或停留而很难移除，这部分异物长期留在蒸汽发生器二次侧管板表面，由于机组运行期间水流冲击、振动等都有可能对传热管造成磨损或碰撞，造成传热管破损。自核电站运行以来，已发生多起由于蒸汽发生器二次侧异物造成传热管磨损的案例。

1 磨损机理

（1）犁沟磨损机理（Furrow Wear Mechanics）。犁沟效应是指硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，硬金属在位置移动中推挤软金属，使之塑性变形并犁出1条沟槽。任何物体要占有一定的空间，都要排除以前存在于该处的其他物体。

犁沟理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中的能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及塑性变形，因此在一般情况下，表面凸凹越小，就越不容易磨损。实验表明，当零件的表面粗糙度很小时，由于接触面积的增大，表面之间的分子作用加强，故摩擦因数反而剧增，材料的磨损增大，对这种现象，犁沟理论无法解释。

（2）粘着磨损机理（Adhesive Wear Mechanics）。粘着磨损是材料的相互作用起到重要的作用，是接触面上化学作用的结果。粘着磨损理论是固体摩擦理论的重大发展，该理论首次揭示了实际接触面积只占极小的部分，以及接触峰点的塑性流动和瞬时高温对于形成粘着结点的作用。粘着理论可以解释许多滑动磨损现象。

但粘着磨损理论过分地简化了摩擦中的复杂现象，例如实际的摩擦表面接触时处于弹塑性状态，因此摩擦因数随着法向载荷的变化而变化，同时粘着理论不能解释摩擦表面粗糙度的影响。

（3）疲劳磨损机理（Fatigue Wear Mechanics）。疲劳磨损理论是指两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料剥落下来的磨损过程。该理论以位错理论为基础，研究了摩擦表面裂纹的萌生与发展，它的重要特点是从材料的本质上面来阐述磨损过程，用它可以预测磨损形貌，并可以定性的解释摩擦过程中发生的一些现象。疲劳磨损是相当普遍的磨损形式，不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其他磨损形式（如微动磨损、冲蚀磨损等）中也能发现不同程度的表面疲劳磨损过程。

（4）磨粒磨损机理（Abrasive Wear Mechanics）。磨粒磨损指外界硬磨粒或对表面突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象。当两接触表面之间的接触压力不大时会发生磨粒磨损，而且磨粒磨损和表面之间的相对滑动速度、磨粒的大小、硬度等密切相关。这些磨粒指外界带入的磨粒或者自身在接触摩擦时进入的一些微粒。

2 异物对传热管的磨损分析

（1）犁沟磨损分析。当两个表面的硬度相差很大时，硬的一方在其表面粗糙度较大的情况下，并且摩擦不在同一个位置反复地进行，而是不断地在新的坚硬的面上进行摩擦，这时候犁沟磨损占主导作用。某核电厂蒸汽发生器二次侧管板目前存留的异物中以金属片和滤网丝为主，没有材料硬度明显高于传热管或管板的异物，因此犁沟磨损机理在传热管磨损中不予考虑。

（2）粘着磨损分析。当两个表面的硬度相差很小时，而且容易产生塑性变形，构成两者表面的各自的结构，其分子级很接近（例如易于制成合金者），以及润滑效果较差的情况下，两者表面的粘着磨损起主导作用。对于紧贴传热管的异物，如表1中异物6，异物与传热管硬度接近，粘着磨损机理适用于解释传热管的磨损。

（3）疲劳磨损分析。当两个表面被犁削或者发生粘着的作用倾向较小时，在载荷变动很迅速的情况下，表面部分不易被磨掉，而一直保持到发生疲劳磨损为止。对于部分露出次硬性泥渣的异物，如表1中异物14，异物露出部分在水流往复冲刷下载荷周期性迅速变动，此时，疲劳磨损起主要作用。

（4）磨粒磨损分析。在低接触压力的情况下，由于磨粒在两接触表面相对位置的间歇离开时进入，或者接触表面自身剥落的一些磨粒参与两表面之间的摩擦，就伴有磨粒磨损发生。而在高的接触压力下以粘着磨损为主。蒸汽发生器传热管表面光滑度较高，异物通常表面不规则，如表1中异物16，同时考虑到管板泥渣多为微小颗粒，在两者法向载荷较小的情况下，磨粒磨损起主要作用。

表1 某蒸汽发生器存留异物情况统计表

3 存留异物危害性分析

3.1 存留异物危害性计算依据

对蒸汽发生器传热管磨损起主要作用的是疲劳磨损、磨粒磨损和粘着磨损。针对以上磨损机理，目前应用比较广泛的物理模型为Archard计算模型。根据Archard计算模型可以得出磨损量V的计算见公式（1）

式中K为磨损系数（Pa-1），N为法向载荷（N），L为摩擦行程（m），H为较软材料的表面硬度（HB）。

从式（1）可以得出3条磨损定律：①磨损量与摩擦行程成正比；②磨损量与法向载荷成正比；③磨损量与较软材料的表面硬度成反比。

根据公式（1），分析某核电厂目前存留的异物，由于滤网丝及绝大部分埋入次硬性泥渣的金属片均难以与传热管形成有效的摩擦行程，因此对传热管的磨损很小。对于传热管磨损危害较大的为一端被次硬性泥渣掩埋固定，自由端在二次侧流体冲刷下产生振动的异物。就异物支撑形式而言，异物自由端伸出越多、异物支撑点越少，异物的振幅就越大，对传热管的磨损更加明显。

3.2 存留异物磨损建模计算

根据上述分析，参照现存留异物中危害相对较大异物，选表1中异物4建立模型。其形态为金属片，长30 mm，宽5 mm，厚0.3 mm，密度参照304不锈钢取7.93 g/cm3，质量0.36 g。金属片部分埋入次硬性泥渣为固定端，部分露在外面为自由端。建模中，为保留足够的安全裕量，在该异物基础上适当扩展进行建模。异物模型为金属圆柱体结构，直径4 mm，长50 mm，位置选择在横向流速最大的下降通道出口处。参照文献对核电站多种工况下磨损体积的分析计算，得出在30年寿期内总磨损体积为10-10mm2量级，而传热管磨损到需要堵管的临界深度（40%传热管厚度）时磨损体积为2 mm2。由此可知，质量不大的异物对传热管的磨损并不明显。

此外，升降温以及升降功率瞬态下的接触力较大，但是其运行次数少，对传热管磨损体积的影响并不明显。而周期性脉动具有相当高的振动频率，对磨损体积的增加起主要作用。

4结语

根据上述分析得出，某核电厂现有存留异物对蒸汽发生器的危害性较小。同时通过对某核电厂4台蒸汽发生器存留异物历次大修的跟踪检查，其形状、位置均无明显变化，通过对附近传热管的涡流检测也未发现明显管壁减薄现象，该检查结果与理论分析一致。此外，考虑到异物中对传热管磨损影响较大的为异物自由端的部分，因此应考虑后续工作中通过专用工具或高压水切割等方式将异物自由端部分切除并取出，以降低其危害性。

［1］邓守军.磨损机理的变迁与现状［J］.机械研究与应用，2004，17，（6）.

［2］王卫华.深井河超深井套管磨损研究现状及发展趋势［J］.石油机械，2005，33，（12）.

［3］王天华.换热器传热管微振磨损的实验研究［J］.核动力工程，1990，11，（4）.

［4］侯勇俊，王文武.套管磨损研究进展［J］.钻采工艺，2007，24，（5）.

［5］汪选国.磨损数值仿真技术的研究进展［J］.摩擦学学报，2004，24，（2）.

［6］薛玉君，程先华，黄文振.断裂力学和有限元法在疲劳磨损研究中的应用［J］.机械强度.2001，23，（3）.

［7］桂长林.Archard的磨损设计计算模型及其应用方法［J］.润滑与密封，1990，（1）.

［8］陈银强.外来物对蒸汽发生器传热管微动磨损的分析研究［J］.核动力工程，2011，2，（1）.

〔编辑 李波〕

TL353+.13

B

DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.12