浅论核电厂蒸汽发生器堵管处理及其发展方向

工业技
术
蒸汽发生器（以下简称SG）是核电站的重大设备，它既是一回路压力边界的关键设备之一，承担保持第二道屏障的完整性；它又是一、二回路热量交换的转换设备，将一回路热量传递给二回路并产生饱和蒸汽驱动汽轮机工作。

其中S G传热管总面积占一回路冷却剂系统压力边界近80%，而其壁厚仅为1 m m左右，在高温、高压、振动和应力等恶劣环境下，最容易产生腐蚀损伤，造成传热管降质。

按照核电厂事故分类，S G传热管破损为设计基准事故，任何运行中的电厂发生传热管破损将被迫停机，以防止放射性物质由一回路向二回路泄漏，避免社会不良反响和巨大的经济损失。

核电站蒸汽发生器的堵管设计裕量约10%，若传热管堵管数量过大，将降低核电站的发电效率。

因此，S G传热管的役前检查、在役检查与检查后对超出规范要求的堵管行动是世界各国核电厂的重点项目。

役前检查和在役检查能及时发现有缺陷的传热管，并分析产生缺陷的原因，及时改进运行工况（如水质调整）或采取必要的维护措施（如管板清淤、化学清洗），或对超出或接近规范要求（美国A S M E标准规定传热管缺陷不超过壁厚40%）的缺陷传热管采取堵管或预堵管等方式，从而避免在运行过程中发生传热管破裂事件而导致的非计划停机和放射性物质泄漏事故。

1 SG传热管破损原因分析
压水堆核电厂运行经验表明，S G传热管降质的主要原因不外乎腐蚀与机械损伤。

其主要形式及原因如下。

1.1 一次侧应力腐蚀（PWSCC）
主要产生于600管材U型小弯头内侧及胀管过渡区，其产生主要有三个条件，拉应力、腐蚀环境、材料的敏感性。

对于胀管过
渡区，由于在制造阶段其工艺无法完全消除
残余拉应力，而该区域处于腐蚀无法避免
的位置，极易产生轴向与周向裂纹，导致放
射性泄露；正因为考虑到此种风险，秦山二
期核电厂在制造阶段与调试期间将发现的
4根过胀管子进行了堵管处理，以避免运行
阶段的每周期检查与泄露风险。

1.2二次侧晶间腐蚀及晶间应力腐蚀
（IGA/IGSCC）
IG A是沿管子表面整个晶粒边界出现
均匀或比较均匀的腐蚀，通常IGA为IGSC C
早期表现形式；IG A与IG S C C主要产生于
管板泥渣堆积处与支撑板缝隙处。

IG A与
I G S C C的区别顾名思义，即I G A不需要应
力即可产生，而I G S C C需要有应力作用
下产生。

田湾核电厂在役前检查时发生的
二次侧氯离子应力腐蚀即为典型的I G A/
IGSCC，最终导致了707根管子堵管。

1.3 耗蚀
耗蚀非应力，由传热管外壁在二次侧水
质中磷酸盐局部高度浓缩环境中产生的化
学均匀腐蚀。

耗蚀主要发生于管板上方的
管子根部即管板泥渣积聚区与支撑板缝隙
处。

1.4 凹痕
凹痕在制造过程中出现于随机位置（管
子生产过程中、管子装配过程中），在运行
过程中主要出现在支撑板处；在运行中主
要由于二次侧腐蚀产物积聚于管子支撑板
间隙中挤压管壁，致使其凹陷变形，形成凹
痕。

1.5 微振磨损
微振磨损主要发生于防振条与管子以
及支撑板与管子的间隙处，主要由于传热
管的振动引起防振条与支撑板的振动与滑
动，最终导致传热管的局部磨损。

岭澳二期
就曾因为制造阶段发现两根管子管距太近，
为防止运行时振动磨损，预防性提前堵管，
以防止运行期间的不可预期的泄露。

1.6 外来物磨损
顾名思义即为制造、安装、调试、维护
期间遗留于蒸汽发生器内部的异物，由异
物与传热管的摩擦造成的机械磨损名为外
来物磨损。

大亚湾核电厂在运行期间就曾由
于SG最外围排的一根传热管与外来异物磨
损，致使传热管壁厚减薄达38％～39％，虽
未达到40%的堵管标准，为保证在一个换
料周期内此管不发生泄漏，保守决策采取了
预先堵管的处理方式。

2 国内核电厂堵管数量及方式
自1991年底秦山一期投产以来，国内核
电厂已有21堆年的运行历史了，在这20多年
里国内核电厂S G传热管经受了一定长时间
运行工况的考验。

表1简单列出国内核电厂
SG传热管的堵管方式及原因。

3 堵管方式分析与选择
通过上述国内S G堵管案例，不难看出
成熟应用的堵管方式不外乎焊接式与机械
式两种，以下以秦山二期扩建机组为例，分
别对焊接式与机械式堵管的原理、工艺流
程做个简介，并对比其特点与优缺点。

焊接式堵管：焊接式是国外核电厂最早
应用的堵管方式，应用比较广泛且工艺成
熟可靠。

其原理很简单，即利用焊接方法将
堵头材料与需要修复的本体母材溶合在一
起，并达到一定的强度与密封性能。

焊接堵管工艺流程：(1)标记堵管位置；
(2)准备堵管设备及工装；(3)按照图纸要求
将待堵管孔用倒角机将坡口加工到尺寸，孔
口去毛刺；(4)对坡口进行尺寸检查；(5)用丙
酮清洁加工区域；(6)按待堵管孔顺序将堵
浅论核电厂蒸汽发生器堵管处理及其发展方向
尹名
(中核核电运行管理有限公司 浙江海盐 314300)
摘 要：该文简要分析核电厂蒸汽发生器传热管的破损原因，详细介绍蒸汽发生器的两种堵管处理方式过程及其优劣对比，浅议国内蒸汽发生器役前与在役的堵管方式及发展，供蒸汽发生器堵管工具设计、制造及维修单位参考。

关键词：蒸汽发生器 焊接式堵管 机械式堵管
中图分类号：TL421 文献标识码：A
文章编号：1674-098X（2014）05（b）-0052-03
The Plugging And Plugging Development For Steam Generator In Nuclear Power Station
YINMing
(CNNC Nuclear power Operations Management Co,Ltd,Haiyan 314300)
Abstract:Analyzing the tube of steam generator which is destroyed by all kinds of reason in nuclear power station，based on introducing the process of plugging,then make sure the difference of the welding plugging and mechanical plugging，demonstrate the mode and development of the plugging for steam generator in china,by this way,we can afford the suggestion to the plugging company which is for design, manufacture and maintain.
Key words:Steam generator welding plugging mechanical plugging
图2 机械辊胀式堵头
核电厂名称传热管材质堵管时期堵管数量(根)堵管方式缺陷原因秦山二厂Inconel690制造阶段2焊接式管子过胀秦山二厂Inconel690调试阶段2机械拉拔式管子过胀
田湾核电厂08Cr18Ni10Ti 调试阶段707焊接式二次侧氯离子应力腐蚀田湾核电厂08Cr18Ni10Ti 运行阶段151机械拉拔式二次侧氯离子应力腐蚀大亚湾核电厂Inconel690运行阶段1机械滚胀式外来物磨损岭澳二期核电厂
Inconel690
制造阶段
2
焊接式
管距偏差
表1
图1 机械拉拔式堵头
图3 PEGASYS待堵管状态
头对应编号；(7)按照图纸要求将堵头试装并按试装情况划出堵头的机加工余量线；(8)根据机加工余量线加工堵头；(9)堵头加工后进行尺寸检查；(10)对堵头表面进行PT检查；(11)用丙酮清理管孔及附件区域；(12)在待堵管孔上依次装配好堵头并经检查确认无误；(13)按照焊接规程要求采用手工氩弧焊对焊缝进行焊接；(14)对焊缝进行目视检查；(15)根据焊缝表面情况进行修磨及清理；(16)对焊缝进行PT检查；(17)用丙酮清理焊缝区域表面；(18)按照制造规程要求对返修区域和一次侧表面进行清理，满足清洁度要求；(19)蒸汽发生器二次侧水压试验检查。

机械式堵管：国内机械式堵管分为两种，一种为机械拉拔式（以秦山二期、田湾应用为主），另一种机械辊胀式（以大亚湾、岭澳、秦山一期应用为主），其基本原理都是一致的，简单而言就是将特制的堵头装入管子里，靠堵头外壁与管子内壁的紧密贴合挤压来堵死管子。

当然，由于两者堵头的设计不同，其与管壁贴合的方式也有所区别。

机械拉拔式堵头分为两部分（详见图1 机械拉拔式堵头），一部分为套筒，另
一部分为滑块；套筒内壁设计成锥形，堵管时，将堵头装入蒸汽发生器传热管里，拉动滑块，套筒发生径向塑性变形，蒸汽发生器管板发生弹性变形，依靠变形差异引起的残余应力，使套筒外壁与传热管内壁紧密贴紧从而达到密封效果。

机械辊胀式堵头为圆锥形的中空结构（详见图2机械辊胀式堵头），材质与传热管材料相同的合金材料，安装在需要堵管的传热管两端起密封作用。

辊胀工具头主要由其中间的圆锥形细长芯轴和外面的若干根辊子组成，工作时芯轴一边旋转，一边进给，将外围的辊子挤压、膨胀。

堵头有效工作部分因为受到辊子滚碾而变形、膨胀，最终紧贴于传热管内壁并保持一定张力，形成固定密封。

辊胀装置主要由电机、电机减速器、工具头连接快速接头、手柄等组成。

由控制系统提供的电信号驱动辊胀工具的电机，带动辊胀工具头作旋转进给运动，完成辊胀动作，实施堵管操作。

同时，反馈辊胀力矩到控制部分，对辊胀力矩和时间进行精确控制，保证堵管最终质量。

目前国内使用的机械拉拔式与机械辊胀式在使用上最大的不同就是自动化程度上的区别，秦山二期、田湾使用的机械
拉拔式堵管安装完毕后均可实现远程操控堵管（R 厂房环廊操作甚至岛外），而大亚湾、秦山一期使用的机械辊胀式需要人员进入一次侧水室工作。

(图1,图2)
下面以秦山二期使用的P E G A S Y S 自动堵管机为例，简要描述一下其堵管流程。

机械拉拔式堵管流程：(1)先决条件检查，包括主管道临时堵板、人孔密封面保护环是否安装，蒸汽发生器内温度与辐射水平
是否符合要求，水电供应检查，堵管标示图检查、设备及系统准备检查；(2)设备连接，包括C A M L O C K 单趾的连接，P E G A S Y S 机械臂连接，I M P S 堵管工具连接，P M C 控制箱连接，P P B 控制箱连接，U P C B 控制箱连接，DAV系统的连接，堵管工作站与交换机连接，DAV工作站与交换机连接，压缩空气源连接，电源连接，交换机与通讯箱通过光纤连接；(3)选择电站、机组信息，设置堵管计划； (4)PEGASYS 机械臂功能验证；(5)IM P S堵管工具功能验证；(6)压力/位移校验；(7)装载单趾；装载PEGASYS；(8)控制摄像头进行管位确认，然后通过PEGASYS爬行器进行管
位再验证；(9)装载工具头到PEGASYS上准备至待堵管状态（详见图3 PEGASYS 待堵管状态）；(10)实施堵管操作；(11)堵管实施后，确认膨胀块行程到达标准距离范围且泵的压力值在可接受范围之内，应用软件将生成报告表明当前管子已经成功堵管；(12)设备回收；(13)清理现场。

(图3)
堵管需注意的方面，堵头材料需采用I n c o n el690或I n c o n lo y 800，不能使用I n c o n el600或奥氏体不锈钢。

根据美国核电厂20世纪80年代运行经验表明，Inconel600堵头极易引起一次侧应力腐蚀（PWSCC），造成放射性泄露。

通过上述焊接式与机械式堵管的原理及应用分析，不难看出两者的应用范围及优缺点。

焊接式堵管多应用于役前，其无放射性环境条件下，方便于近程操作，同时堵管成本较低，工艺成熟；其缺点在于在役期间堵管时间较长，人员辐射剂量大；在役期间堵后管子一般情况下不考虑重新取出利用。

机械式堵管多应用于在役期间，由于在役期间一次侧放射性剂量影响，限制了堵管人员近程工作的时间，像大亚湾使用的辊胀式手动堵管由电机带动，其堵管时间远低于焊接式；而像秦山二期使用的机械拉
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成能保证LSA过程的重复。

(3)工作项目101、102和103控制和管理所有工作项目。

2.1.2 保障性分析(LSA)过程集成这15个相互关联的工作项目是供选择剪裁的。

全部分析项目必须剪裁，以适合于任何规定的计划设计或者寿命周期阶段。

这里选出产生保障数据最基本的子项目构成如图2所示的保障性分析过程。

图2所示的LSA过程集成的主要分析工作步骤是：
(1)选择LSA备选项目(CI)；(2)建立保障性分析控制号(LCN)结构；(3)功能分析；(4)故障模式、影响和危害度分析(F M ECA)；(5)以可靠性为中心的维修分析(R C M A)；(6)在F M E C A 和R C M A 完成后，就可以初步确认预防性维修(P M )/修复维修性维修(CM)任务；(7)修理级别分析(LORA)；(8)详细的维修任务分析(M TA)；(9)L SA分析结果记录在LSAR单一数据库中。

2.2 保障数据的集成—保障性分析记录(LSAR)
保障性分析记录(L S A R )标准内容包括：(1)数据输入集成方法；(2)自动数据处理(A D P)方法；(3)L S A R 数据产生的L S A R 报告—输出集成格式。

2.3 LSAR数据的处理和应用
(1)标准输出报告—L SA R 有预先设定
的输出报告及报告格式要求,包括报告的详图2 承制方保障性分析过程
[5]
细说明。

(2)用户定制输出报告—根据用户构建的综合保障系统数据报告需要，从L S A R 数据库中提取数据，生成由用户自定义的输出报告。

(3)L SA R是编制技术手册的数据源—从LSA R数据库中提取数据，主要是任务分析数据，编制纸质技术手册(T M )和创作交互式电子技术手册(IE T M )，尤其是使用手册和维修手册。

3 结语
该文从综合保障要素的集成需要出发，探讨了装备综合保障要素数据的分析、集成、处理和应用问题。

在方法上，将原来在各种单个技术标准中规定的分散、独立的保障要素分析过程，纳入到符合L S A 规范的统一过程中分析，并在符合LSA R规范的单一数据库中集成、处理和输出，提出了过程集成、数据集成、应用集成。

参考文献
[1] 甘茂治.浅论R M S 一体化设计与分析
[C]//中国造船工程学会修船技术学术委员会船舶修理论与应用论大集第八集.2006.
[2] M I L -S T D -1388-1A .L o g i s t i c s
Support Analysis(LSA)(后勤保障分析(LSA)).
[3] GJB1371-92装备保障性分析[S].[4] 詹姆斯·琼斯.综合后勤保障手册[M].胡
勇译.中国物资出版社,2009.
[5] L o g i s t i c s S u p p o r t A n a l y s i s
Flow(example).
拔式自动堵管由液压驱动，甚至不需要工作人员进入水室，只需要工作人员利用操作杆在水室外将P E G A S Y S 机械臂、工具头、摄像头装入相应位置，堵管人员利用电脑远程操作堵管，大大降低了工作人员受辐射剂量的风险，保障了工作人员的安全。

机械堵管区别于焊接式的最大优势在于堵管时间短，在役期间能大大降低人员辐射剂量；另外机械堵管可根据需要取出堵头，采取衬管或镍基补焊的方式重新利用被堵管子，这一点在运行机组寿期末段时显得尤为珍贵，但是其缺点在于设备复杂，价格昂贵，且利用率不高。

4 结语
从国外蒸汽发生器堵管方式的发展历程看，经历了焊接式-机械式手动近程操作-机械式自动远程操作。

早期由于技术原因，在役期间只能采用焊接式；随着堵管技
术的发展，以及辐射防护剂量对于人员的时间限制，机械手动近程操作取代了焊接操作，有效的降低人员受辐照时间；20世纪90年代初，随着辐射防护A L A R A 原则的推动下，美国西屋研制出了第一代检修机器人ROSA （th e Re m otely O p er ate d Ser vice A r m），通过机械人远程操作进行堵管；随后美国西屋在RO SA系统模块上改进推出了管孔爬行机器人PE G A S YS，即目前国内秦山二期所用的堵管工具，该工具能避免工作人员进入高剂量区的一次侧水室，堵管工作远程控制，大大降低了辐射剂量，同时该工具可通过机械臂搭载涡流工具实现涡流检测远程控制，提高了设备的利用率。

综上所述，蒸汽发生器堵管是核电站高风险高剂量的工作，今后将逐步由手动近程操作转为自动远程操作。

我们运行电站希望堵管工具的设计、制造单位对照国外先进技术，自主创新，综合考虑堵管工具与其
他蒸汽发生器专用工具（如涡流检查及水室目视检查）于一体，提高设备利用率，降低设备制造成本，从而有效减少核电站在役检查和大修工期，进一步提高核电站的经济性。

参考文献
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工文件.
[2] 丁训慎.蒸汽发生器传热管的降质及对
其完整性的评估[J].核安全,2009(2).[3] EJ/T 885-94.压水堆蒸汽发生器堵管
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[5] 张春明.田湾核电站1号机组蒸汽发生器
传热管缺陷处理过程的核安全监督[J].核安全,2006(2).
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