核电站供氢管道氢渗透性能研究

核电站供氢管道氢渗透性能研究

刘俊刚，王林

广西防城港核电有限公司，广西 防城港 538001

摘要：氢气由于分子特性在金属中存在渗透及扩散现象，目前国内核电厂核岛供氢管道普遍采用碳钢管道，但多个核电厂均存在一定程度的输氢管道氢气渗透现象，导致供氢套管夹层存在氢气，目前尚无相关研究对碳钢供氢管道渗透率进行研究。本文从以下3方面进行测试研究分析：（1）对A106Gr-B碳钢管样品进行不同温度、压力下的氢渗透试验，分析氢渗透系数随温度的变化关系；（2）根据测得的氢渗透系数随温度变化关系，分析工况条件下A106Gr-B管道的氢渗透速率分析；（3）对碳钢样品进行晶相分析，分析碳钢管道微观结构对氢渗透速率的影响。

关键词：氢气；碳钢管道；氢渗透

一、氢渗透性能试验测试

1. 测试及数据处理方法

采用高温气相渗透法进行氢渗透测试，即在恒温下样品管内侧通入高纯氢气，检测并记录样品管外侧的氢渗透流强度随时间的变化。测试样品的编号及样品管具体尺寸如表1-1所示。

表1-1测试用A106Gr-B管样品的编号及相应的样品尺寸

根据测得的氢渗透曲线，采用滞后时间法计算样品的氢扩散系数，公式如下：

                           (1)

式中：l为样品管厚度；t为特征时间，即从充氢开始氢渗透流强度达到稳态时的0.617倍时需要的时间。

根据稳态氢渗透流计算样品的氢渗透系数Φ(T)，公式如下：

                    (2)

式中：J∞为稳态渗透流强度；l为样品管厚度；A为样品与氢接触的有效表面积，本研究统一取管外表面积；P和P0分别为样品管内、外侧的氢压，由于P0（低于10-5Pa）远低于P，计算时P0可以忽略。

2. A106Gr-B管样品的氢渗透曲线

对厚度为分别为0.60mm、1.20mm、0.85mm的碳钢管样品在5-97kpa氢压范围、25-470℃温度范围内取9-12个温度点进行氢渗透测试，具体测试条件如表2所示。测量得到的氢渗透流信号随时间的变化曲线分别如图2-1，2-2、2-3所示。

表2 碳钢样品管氢渗透测试参数及结果

从图2-1、2-2、2-3中渗透曲线可以看到，随着测试温度降低，氢渗透流强度达到稳态所需的时间延长，意味着氢扩散速率减慢，扩散系数降低；测试温度越低，氢渗透流达到稳态后的信号强度越低，意味着温度越低氢渗透量越小，即渗透系数越低。

根据测得的氢渗透曲线，由公式1和2计算得到的氢扩散系数D和渗透系数Φ如表2所示。可以看出，随着测试温度降低，得到的氢渗透系数和扩散系数迅速降低。根据测得的不同温度下的氢渗透系数，计算得到lnΦ-1000/T的关系如图2-4所示。可以看到，温度较低（低于300℃）的区域即1000/T>1.75的区域测得的lnΦ与绝对温度的倒数呈线性关系，即氢渗透系数与温度的关系遵循Arrhenius方程：

                          (3)

式中：Φ0为渗透常数；T为绝对温度；为渗透激活能；R=8.3145。因此采用Arrhenius关系对低温区氢渗透系数进行拟合，得到：

Φ0=（8.3±2.2）×10-5 mol/(m.s.MPa1/2)，ΔHP =(36.4±0.8)kJ/mol

即碳钢材料的氢渗透系数随温度变化关系为：

Φ=(8.3±2.2)×10-5exp[-(36.4±0.8)/RT]    （4）

图2-4 不同厚度碳钢样品测得的氢渗透系数随温度(LnΦ-1000/T)变化关系

二、某核电厂实际工况条件下碳钢管道的氢渗透速率分析

碳钢供氢管道在核电厂的实际使用工况条件为室外温度，约20-40℃，根据氢渗透测试得到的25-67℃范围内的氢渗透系数实测值和由公式4计算得到的值如表3所示。

表3工况温度范围内氢渗透系数的实测值和计算值,单位为mol/(m.s.MPa1/2)

在已知某一温度氢渗透系数Φ时，由公式2可以计算得到该温度下一定尺寸管道的稳态氢渗透流J∞，即漏率，公式变为

                    (5)              

式中：l为供氢管道厚度，3.38mm；A为与氢气接触的有效面积，取供氢管道内表面积，约13.384m2（内径26.64mm，长度约160m）；P为管内氢压P=1MPa，P0是管外氢压远低于P，可以忽略，所以稳态氢渗透流：

            J∞=3.96×103Φ（mol/s）                 （6）

由于1d=3600s/h*24h=8.64×104s，1mol=1atm*22.4L，

J∞=3.96×103*8.64×104*22.4Φ=7.664×109Φ（L/d）    （7）

由7式和表3中的氢渗透系数计算得到25-49℃范围内的管道漏率如也列在表3中，可以看到碳钢管道本身是氢渗透系数较高的材料，漏率可达0.24~0.44L/d。但与某核电厂实际工况条件下测得漏率（3.1±0.3 L/d）相比，计算值低一个数量级左右。而且实际工况中冬天（气温较低）漏率高于夏天（气温较高）时的漏率的现象，与氢渗透系数随温度升高而升高的规律相左，因此工况中发生的高漏率现象可能是管道存在薄弱环节，比如焊接点等位置，导致管道有效厚度减小，漏率增大。

三、碳钢金相组织分析

沿着碳钢样品管的纵向和横向取样，后进行4道由粗到细的砂纸打磨，并抛光腐蚀后，采用金相显微镜观测碳钢管在纵向和横向的组织结构，结果如图3-1所示，图中浅色部分为铁素体相，黑色部分为珠光体（铁素体与渗碳体交替分布的片层状组织）。

由图3-1左图可以看到纵向样品中有带状组织，达3级；横向样品中带状组织不明显。图3-2所示为放大倍数的横向样品，可以看到珠光体相呈不规则片状或网状，主要分布在铁素体相晶界处，即碳钢管的组织以铁素体为主。铁素体相是体心立方结构，相对没有面心立方结构材料致密，氢在体心立方结构材料中扩散速率普遍高于面心立方结构材料。因此，碳钢管的氢渗透系数较高。

图3-2碳钢管横向样品组织

四、结论

（1）根据碳钢供氢管道不同温度、压力下的氢渗透试验，表明氢气在碳钢管道较不锈钢管道氢渗透系数较高，计算实际渗透量约在024~0.22L/d,与某核电厂实际使用工况测得的3L/d相比，不在一个量级，理论上说明某核电厂输氢双壁管真实存在泄漏。

（2）碳钢管的组织以铁素体为主。铁素体相是体心立方结构，相对没有面心立方结构材料致密，氢在体心立方结构材料中扩散速率普遍高于面心立方结构材料。因此，碳钢管的氢渗透系数较高。

参考文献：

[1]Hao Yang,Wei Wang,Man Jiang,Xiang Ji,Mingjie Zheng.Hydrogen diffusive transport parameters through CLAM steel[J].Journal of Nucleear Materials,2018,511:231-234.

[2]G.A.Esteban,A.Pena,I.Urra,F.Legarda,B.Riccardi.Hydrogen transport and trapping in EUROFER’97[J].Journal of Nucleear Materials,2007,367-370:473-477.

[3]王春,王永利，傅晟伟，熊良银，张军平，刘实.Inconel 690合金氢扩散与渗透特性的研究[J].核动力工程,2017,38(2):93-97.

[4]Jiwei Lin,Feida Chen,Feng Liu,Dexin xu,Jing Gao,Xiaobin Tang.Hydrogen permeation behavior and hydrogen-induced defects in 316L[J],Materials Chemistry and Physics,2020,250.

[5]Zhi Cao,Yongtao An,Fujun Gou,Zhi Zhang,Li Deng,Li Guo,Zhe Zheng.Study on deuterium permeation through pure iron after exposed to LiPb[J],Fusion Engineering and Design.2020,155.

[6]Yuping XU,Feng Liu,Sixiang Zhao,Xiaochun Li,Jing Wang,Zhongqing An,et al.316L Deuterium permeation behavior of HTUPS4 steel[J],Fusion Engineering and Design.2016,113.