浅析核电站压水堆设备的磨损与对策

浅析核电站压水堆设备的磨损与对策

严成勇

（中核检修有限公司山东青岛266000）

摘要：在核电站反应堆中存在着许多摩擦方面的问题，这些问题直接影响着核电站的安全运行和经济效益。在此列举了压水堆的几大主要设备中存在的磨损问题，并分析了产生磨损的原因，提出了解决问题的对策。

关键词：核电站；压水堆；磨损；材料；表面强化技术

1核电站中摩擦学问题的特殊性

1.1辐照损伤

存在于反应堆中的工程材料要受到一定量的射线照射，尤其是快中子的辐照将在材料中产生缺陷，从而影响材料的机械物理性能和摩擦学特性。例如缺陷的生成而引起材料硬化，其硬度、拉伸强度、屈服强度增大；冲击韧性值下降，零延性温度升高等。因此，那些辐照倾向相当严重的材料，就不能应用在核反应堆中。

1.2辐照活化

有的元素经辐照后会产生半衰期长的放射性同位素。因此，对反应堆尤其是堆芯结构材料来说，对杂质元素的限制就比应用于一般工业领域的材料更为严格。例如为了避免生成Co，就要严格限制Nj中的Co以及不锈钢或因科镍合金中Co的含量。

1.3工作温度高

核电站反应堆要实现高的热效率，就需要高温热源，从而要求承受高温高压工作流体的结构材料具有优良的高温性能，例如抗高温蠕变的性能等。

1.4水环境效应

水冷反应堆中的水能溶解许多物质，从而便成了结构材料的溶解损失和质量转移的媒介，在所造成的化学或电化学的环境下，具有促进发生腐蚀和加剧磨蚀的作用。例如在结构部件的振动接触部位，由于水的存在和作用，加快了磨蚀的速度。

2核电站中常见的摩擦学问题及其原因

在国外，核电站反应堆已有几十年的运行历史，积累了许多经验和教训。在我国，随着秦山核电站和大亚湾核电站的相继投入运行，从而开始了我国核电发展的新时期。综合国内外核电站反应堆的运行和维修情况，可以归纳出以下几类存在于核电站中的摩擦学问题。

2.1燃料元件棒的漏损

由于外界原因引起燃料元件棒的漏损主要有以下几种情况：其一，堆芯围板间隙内的水流喷射使得燃料包壳与定位架相磨，导致包壳产生磨蚀；其二，包壳与围板相磨损导致包壳管轴向开裂或开口。再就是由于在反应堆检修过程中掉入的金属碎片、小螺栓螺母、钢刷丝毛等异物，随冷却剂流动而进入堆芯，并被截留在定位架处的燃料棒之间，在冷却剂流动的影响下，碎片产生振动而引起包壳的微动磨蚀。

2.2压力容器主螺栓咬合

在咬合过程中，螺栓与螺栓孔发生损伤，因此在检修时，必须对其进行梳理、抛光甚至铣切等修整。压力容器主螺栓发生咬合的主要原因，绝大部分是由于装配时清洁度或润滑状态不符合要求，另外也有少数属于制造缺陷而引起内外螺纹表面干涉，或由于装配不当而使螺栓或螺栓孔表面受到损坏。

2.3蒸汽发生器传热管的磨蚀

在蒸汽发生器中，由于传热管与防振条之间存在间隙，在高速流体的冲击下，管子与防振条之间产生振动磨损而使管子损坏。

2.4冷却剂泵轴承室的点蚀磨损

国外某电站在检修时发现冷却剂泵轴承室的球面上发生点蚀破坏。经分析其原因是，轴的振动导致轴承套在轴承室内移动，加之接触表面间存在的异物作用，从而造成轴承室下部球面上发生点蚀磨损。

2.5控制棒的磨蚀

在法国某电站曾发生过控制棒磨断并掉落到控制棒导向筒底部的事故，严重威胁着反应堆的安全。经检查发现，磨蚀均发生在长期工作在提起位置的控制棒上，其部位集中于与压紧筒内的导向孔板相对应的位置。经试验和分析得知，从导向筒下段的出水孔流出的横向水流引起控制棒的振动，从而产生磨蚀。

2.6控制棒驱动机构棘爪的磨损

棘爪是驱动机构中各闩锁部抓持轴动轴的部件，它与驱动轴接触，且承受驱动轴载荷而产生磨损。

3对策

3.1解决燃料元件棒的磨蚀

由外界因素引起的燃料元件棒磨蚀，最主要的原因就是流致振动，所以解决措施应从流致振动入手。当接触面的间隙较大时，则通过间隙产生的横向液流就大，通过更改围板的结构设计，以调整包壳与围板之间的间隙，即可消除这类磨蚀破坏。针对因废物碎片进入堆芯而引起燃料元件棒的微动磨蚀，美国西门子核动力公司对下部连接板，定位架及下端塞进行了一系列的改进设计，试验表明“弧状叶片型”连接板，能够在中等大小的废物碎片进入到下部定位架之前将其有效地捕获，从而大大地减轻了废物碎片造成的损害。

3.2解决压力容器主螺栓的咬合

防止压力容器主螺栓咬合的主要措施就是在每次检修时，对内外螺纹表面进行仔细的检查，发现缺陷及时修整，并涂以均匀、全面的专用润滑剂。拧入时严格执行操作规程，以避免对螺纹表面造成机械损伤。

3.3解决蒸汽发生器传热管的磨蚀

法国研究设计人员通过增加防振条表面的镀铬层厚度，同时采用分层布管工艺，减小防振条与传热管之间的间隙以降低振幅。在蒸汽发生器内部的工作环境中，因科镍合金与镀铬层组成的摩擦副的摩擦系数要比因科镍合金同种材料组成的摩擦副低100~300倍，故增加镀铬层厚度可以大大地延长传热管的使用寿命。日本关西电力公司的改进方法是将传热管U形部位的防振条由原来的一组两根改为一组三根，这样能有效地依靠汽、水两相流抑制流致振动，从而减轻磨蚀。同时还将材料从镀铬的因科镍合金600改为耐磨蚀性能良好的不锈钢。

3.4解决冷却剂泵轴承室的点蚀

点蚀是一种表面疲劳磨损，其机理为当两接触表面作滚动、滑动或滑滚复合运动时，由于作用在摩擦表面微观体积上周期性的接触载荷或交变应力，使表面产生疲劳裂纹，最后导致材料剥落。通过增加轴承室工作表面的硬化层厚度和提高硬度，限制轴承套的移动，都可以提高轴承室的抗点蚀破坏的能力。

3.5解决控制棒的磨蚀

引起控制棒磨蚀的主要原因是流致振动，因此通过改进导向筒下端的几何形状，使振幅从1mm降至0.1mm，即大大地缓解了控制棒的磨蚀。另外对控制棒表面进行渗氮处理，也可以提高其耐磨能力。

3.6解决控制棒驱动机构棘爪的磨损

在日本关西电力公司，改进前的棘爪，其母材是SUS304，在表面堆焊耐磨性能优良的钨铬钴合金，可动作约300万个步进。改进设计是在棘爪上喷镀碳化铬，提高了耐磨性能，可达到600万个步进。同时碳化铬镀层将钨铬钴合金堆焊层覆盖，从而可以降低辐射的影响。

参考文献

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