核电厂稳压器电加热器技术综述

核电厂稳压器电加热器技术综述

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，我国对于电力的需求在不

断增加，稳压器是压水堆核电站的关键设备之一,主要起维持系统压力的作用。目前,多数压水堆核电站稳定运行的系统压力在15.4MPa左右,一旦偏离设计压力就

可能导致严重的事故。目前，核电厂稳压器电加热器的寿命普遍要低于反应堆的

设计寿命，这意味着在反应堆运行的寿期内，会出现稳压器电加热器故障的问题，必然会对故障电加热器进行更换检修。本文简要介绍近期电加热器故障的案例，

列举出目前加热器更换的检修工艺及不足，提出了工艺改进措施，顺利完成在役

核电厂电加热器的更换工作，希望有一定的借鉴意义。

关键词：稳压器；电加热器；工艺要点

引言

稳压器为核电站反应堆冷却剂系统的主设备之一，对一回路进行压力控制及压力保护等，电加热器在其中起着重要作用，同时，电加热器及其贯穿件也是一回路压力边界的一部分。

正常运行时，稳压器中蒸汽和水的容积各占一部分，用来抑制压力过高的喷雾器装置（安装

在上部蒸汽空间顶端），限制压力降低的电加热元件（安装在稳压器下部水空间），电加热

元件从下封头直接插入稳压器内。由于电加热元件直接浸泡在水中，热量直接进行交换，电

加热元件周围部件要承受瞬时的温度变化，因此电加热元件与套管连接的焊缝质量非常重要，电加热器一旦发生故障，将影响电厂维持和控制反应堆冷却剂系统运行压力的能力，甚至导

致一回路超压停堆。由此可见稳压器电加热器的可靠性在核电站的安全运行中起到非常重要

的作用。

1稳压器电加热器简介

某厂稳压器电加热器由６０根直管护套型电加热元件组成（共安装６３根，其中３根备用，每根功率为２４ｋＷ），共分为６组，通过稳压器的下封头插入稳压器。其中，４组为

通断式（即恒定输出式），２组为比例可调式（即依据压力输入电流信号比例输出），总功

率为１４４０ｋＷ。具体分配为：第１、２组为通断式，每组为２１６ｋＷ；第３、４组

为比例可调式，每组为２１６ｋＷ；第５、６组为通断式，每组为２８８ｋＷ。通断式电加

热器主要用在反应堆启动或瞬态过程；比例可调式电加热器每组有９根电加热元件，在稳压

器内压力小幅波动时起作用。在反应堆稳态功率运行时，比例可调式电加热器一方面补偿热

量损失，另一方面补偿由连续喷淋导致的蒸汽冷凝。

2核电厂稳压器电加热器技术

2.1脚手架调整次数过多的改进

经过优化，稳压器在役检查工作与散热片的拆除工作共用1个脚手架平台；该平台的高

度为：距离电加热器尾部约为1.5m，方便拆除散热片和在役检查的进行。切割故障加热器和

焊接工作共用1个脚手架平台，该平台的高度为：距离加热器焊缝约为1.7m，且在故障加热

器的正下方加一块高约30cm的跳板。这样即能解决两项工作平台高度需求不一致的问题，

又可减少调整次数，满足现场工作。最后，搭设脚手架平台过程中要求相关专业工作负责人

务必现场验证，减少沟通失效导致的重复性工作。通过上述三点的改进，在大修实施过程中，服务人员仅需调整一次脚手架，相比于最初的调整约10次，极大地降低了服务人员集体剂量。

2.2电加热套管与连接件的成分及性能分析

稳压器电加热器元件套管及连接件的材料大多采用Z2CND18-12（N）（法国牌号）不锈钢，其中w（Cr）约为18%，w（Ni）约为12%，w（Mo）含量约为2.5%，近似316L不锈钢。控氮不锈钢一般在钢中加入w（N）0.05%~0.08%，N为强的奥氏体化元素，不锈钢中加入N

可以降低较为昂贵的Ni含量，且可以形成固溶强化作用，在提高不锈钢强度的同时，并不会降低其塑性及韧性，加入N还可提高材料的耐晶间腐蚀性能、耐点蚀及缝隙腐蚀性能。因此，更换的加热器套管材质仍选用Z2CND18-12（控氮）不锈钢材料。

2.3THERMOCOAX电加热器

THERMOCOAX从1976年开始供应稳压器电加热器，目前全球有5500多根电加热器在运

行川，国内大多数二代加核电厂稳压器，如表1所示。THERMOCOAX电加热器外部为316L

不锈钢包壳，其外径约22mm，壁厚约2mm。该电加热器有两道屏障，不锈钢小管中心处装

有镍铬合金电加热丝，之间填充Mg0绝缘材料，此为第一道屏障，然后将小管以双排形式缠

绕在铜棒上，装人电加热器包壳内，此为第二道屏障，经缩管压实，再加人连接头和相关密

封元件完成制造，如图2所示。THERMOCOAX电加热器主要特征如下:1)绝缘材料Mg0与一

回路水之间设置了双层包壳，减小了Mg0及加热丝与一回路水接触的概率;2)中间设置铜棒，改善了轴向和周向的传热效率，提高了表面功率密度;3)响应时间短，电加热器能在较短时间

内达到额定功率;4)在包壳尺寸相同的情况下，Mg0的用量少，降低了包壳可能因膨胀损害的

程度。针对缩管操作后电加热器包壳存在残余应力的问题，EDF公司联合THERMOCOAX进行

了研究，制定了采用感应加热热处理工艺进行电加热器包壳退火的处理工艺，处理温度为

900-}-1000℃，经热处理后，包壳的表面硬度从320HVl降到了200HVl，有效地消除了包壳的

残余应力，表面晶粒度约达到了ASTM7-}-8级，经晶间腐蚀试验，无裂纹或其他显示出现。

该热处理工艺于2010年12月通过评定，目前THERMOCOAX公司已应用到电加热器的制造

过程中，EDF公司对其备用的电加热器也采用该方法进行了热处理。

2.4焊接材料及工艺要点

预置熔化环的自熔化焊接所用熔化环通常选用w（Cr）26%左右的铁素体不锈钢。不锈

钢焊缝的耐晶间腐蚀性能，主要与焊缝化学成分有关，影响最大的是C含量，C含量越低，

其耐蚀性越好；其次，稳定化元素Ti，Nb的加入，也对防止晶间腐蚀有利；最后就是焊缝的组织，焊缝中含有适量的铁素体可以增加其耐晶间腐蚀性能。但铁素体相的存在也有不利的

影响，铸态焊缝存在过多铁素体相时会有利于σ相的析出，铁素体相越多，越容易析出σ相。σ相的硬度非常高，不但会降低焊缝塑性和韧性，还会增大晶间腐蚀倾向。如果单独对电加

热元件套管和连接件进行自熔化焊接，试验结果证明，其焊缝组织几乎为单一的奥氏体组织，基于以上原因，为了避免焊缝产生微裂纹，提高耐蚀性能，并保证焊缝含有一定比例的铁素体，最好是形成铁素体体积分数为5%~12%的双相奥氏体焊缝组织。选择铁素体不锈钢熔化环，并通过计算得出熔化环的厚度等尺寸，可以解决前述两种接头形式的不足，从而满足稳

压器电加热器的设计要求。采用预置熔化环的自熔化时，由于氦气具有电离能高、电弧能量

密度大、对母材热输入大、工件熔深大、易于焊透的优点，所以通常采用氦气作为保护气体。为了保证焊缝全焊透和背面成形良好，焊接时需要熔池深度比较大的规范。电流主要影响熔

池深度，电弧长度决定电弧电压，选用氦气作为保护气体，电弧电位梯度较大，弧长变化对

电弧电压影响较大，可通过工艺试验获得优化的焊接工艺参数。

结语

目前核电厂稳压器电加热器主体已经实现了国产化，但仍然应该借鉴国内外先进技术和

运行经验进行持续改进，以进一步降低电加热器的失效风险和危害程度，同时应加强配套电

缆的研制。建议参照EDF的做法对国内核电厂备用的THERMOCOAX电加热器进行热处理，

以消除包壳的残余应力。应加快电加热器更换技术的研究和更换专用设备的研发，以具备或

进一步提升电加热器的更换和维护能力。