CN109991157A - 一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，为开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用，包括具有储水罐的储水系统，储水罐依次连接有加热器、冷却部和净化部，加热器设置有多个试验段和一个参比用试验段，多个试验段和参比用试验段并联设置，净化部内设置有多个净化树脂和一个参比净化树脂，多个净化树脂和一个参比净化树脂并联设置，多个净化树脂和多个试验段数量相等且一一对应连接本发明中的净化树脂即为核级离子交换树脂。本发明高温高压水腐蚀产物溶出释放装置采用开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用。

Description

一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置

技术领域

本发明涉及耐蚀材料腐蚀试验技术，具体涉及一种高温高压水核用材料腐蚀试验装置。

背景技术

核能因具有稳定、经济、高效等优点正逐渐成为替代化石能源的重要选择，并成为了世界能源三大支柱之一。蒸汽发生器作为压水堆核电站一回路和二回路的枢纽，其内部有数千根蒸汽发生器传热管。一方面，蒸汽发生器传热管通常采用高镍基合金(如690合金和800合金)，上述材料在腐蚀作用下会不断向核电站一回路水中释放镍离子(镍-58)。在中子辐照作用下，不断释放和累积的镍-58会转化为具有放射性的钴-58和钴-60进而造成核岛内辐照场剂量水平的不断提升，对核电站的管理维护造成极大的困难，也增加了核电站停堆保养期间的运营成本。另一方面，核电材料在高温高压水环境中溶出释放的铁离子、镍离子等会在燃料包壳表面发生腐蚀产物沉积现象，引起燃料包壳材料加速腐蚀和传热能力下降，导致核电站发生轴向功率偏移(AOA)甚至反应堆停堆事故。因此，开展核用关键材料在高温高压水不同水化学工况下的腐蚀产物释放试验研究对于核电站水化学工况优化、经济性提升和安全可靠性运行具有重要意义。但是由于国内外针对核电材料腐蚀的研究设备绝大多数采用不锈钢或镍基合金材料，高温高压水条件下研究设备本身也会发生腐蚀产物的溶出释放过程，针对高温高压水工况下腐蚀产物溶出释放研究尚未有专门的实验研究设备和精确测量方法，导致核电材料腐蚀产物溶出释放研究一直处于空白状态。同时，必须指出的是，高温高压水腐蚀产物释放试验对试验装置的耐蚀性和密封性要求极为严格，目前国内尚未有设备厂家具备设计制造该类成套设备的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，解决在高温高压水腐蚀产物溶出释放研究尚无专门试验研究设备的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，为开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用，包括具有储水罐的储水系统，储水罐依次连接有加热器、冷却部和净化部，加热器设置有多个试验段和一个参比用试验段，多个试验段和参比用试验段并联设置，净化部内设置有多个净化树脂和一个参比净化树脂，多个净化树脂和一个参比净化树脂并联设置，多个净化树脂和多个试验段数量相等且一一对应连接，储水罐的出水管路上还设置有第一循环泵，第一循环泵的进水端和储水罐的出口端相连，第一循环泵的出水端和储水罐的入口端相连。本发明中的净化树脂即为核级离子交换树脂。

多个试验段为高镍基合金材质，参比用试验段为纯钛材质。有效避免升降温过程试验段铁离子、铬离子和镍离子释放对试验结果造成的影响，提高了试验结果的准确性。

每个净化树脂所在的支路上还并联有一由截止阀和单向阀组成的旁路。在预热器和试验段升温和降温过程中，旁路处于导通状态而净化树脂支路处于关闭状态；在预热器和试验段达到目标温度后，旁路处于关闭状态而净化树脂支路处于导通状态。

多个试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接。

还包括预热器，预热器设置在储水罐和试验段之间用于对从储水罐出来的流体进行预热；还包括高压泵、高压过滤器，所述高压泵、高压过滤器依次设置在储水罐和预热器之间。

储水罐上端盖连接有安全阀SV2、压力表和液位计；储水罐下端盖依次连通有减压阀RV2和第二防倒吸排气装置。

储水罐的出水管路上还设置有第一循环泵，循环泵的一出口连接有三个并联支路，三个并联支路的出口设置在储水罐内，循环泵的另一出口和加热器相连，所述三个并联支路中的一个支路由第一电导率仪、第一溶解氧表、第一溶解氢表、流量计F4串联而成，一个支路由储水罐pH计、第一氧化还原电位计和流量计F5串联，一个支路由截止阀V7、流量计F6串联而成

储水罐内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器，所述起泡器连接有气源装置。

进一步的，还包括具有补水罐的补水系统，补水系统的结构和储水系统的结构一致，补水罐和储水罐相连通。补水罐出口通过管路依次经过截止阀V2、第二循环泵、单向阀CV4连至储水罐入口。具体的，第二循环泵出口通过由第二电导率仪、第二溶解氧表、第二溶解氢表、流量计F1、第二pH计、第二罐氧化还原电位计、流量计F2、截止阀V3和流量计F3组成的三条并联支路与补水罐上端盖连接；补水罐下端盖通过管路与减压阀RV1和第一防倒吸排气装置依次连接；补水罐内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器，所述起泡器与单向阀CV1、电磁阀EV1、单向阀CV2、电磁阀EV2、单向阀CV3、电磁阀EV3连接，起跑器设置可快速调节补水罐内水质的溶解氧和溶解氢含量。补水罐上端盖设置压力表和安全阀SV1，可在补水罐压力超过设定值时自动进行泄压保护。

储水罐出口通过管路依次经过截止阀V5、第一循环泵、高压泵、高压过滤器、单向阀CV8连至预热器入口。

第一循环泵出口通过由第一电导率仪、第一溶解氧表、第一溶解氢表、流量计F4、储水罐pH计，第一氧化还原电位计、流量计F5、截止阀V6和流量计F6组成的三条并联支路与储水罐上端盖连接；储水罐下端盖通过管路与减压阀RV2和防倒吸排气装置二依次连接；储水罐内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器，所述起泡器与单向阀CV5、电磁阀EV4、单向阀CV6、电磁阀EV5、单向阀CV7、电磁阀EV6连接，起跑器的设置可快速调节补水箱内水质的溶解氧和溶解氢含量；此外，储水罐内设置液位计，可在储水罐液位低于下限值时通过数据采集和控制系统自动启动第二循环泵，自动补充储水罐内试验溶液，保证储水罐内试验溶液充足；储水罐上端盖设置压力表和安全阀SV2，可在储水罐压力超过设定值时自动进行泄压保护。

预热器出口通过管路依次与加热器、冷却器、背压阀、流量计、截止阀、净化树脂、单向阀、排水箱连接。加热器内设置有多个试验段和参比用试验段，参比用试验段采用纯钛材质作为空白对比；多个试验段均采用高镍基合金材质。每个试验段均采用分段加热和控温方式，保证各试验段内溶液温度的均匀性。试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接，保证了试验段拆卸、安装和更换的便利性。各个试验段出口和参比用试验段出口分别单独设置压力表、爆破阀、背压阀、流量计。

多个净化树脂前端和参比用净化树脂前端均设有由截止阀和单向阀组成的第二旁路：在预热器和试验段升温和降温过程中，第二旁路处于导通状态而净化树脂支路处于关闭状态；在预热器和试验段达到目标温度后，第二旁路处于关闭状态而净化树脂支路处于导通状态。第二旁路的设置可有效避免升降温过程试验段铁离子、铬离子和镍离子释放对试验结果造成的影响，提高了试验结果的准确性。

本发明中试验段均采用分段加热和控温方式，保证各试验段内溶液温度的均匀性。试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接，保证了试验段拆卸、安装和更换的便利性。

高温高压水腐蚀产物溶出释放装置所设置的除多个试验段以外的各装置和连接管路均采用纯钛材质，如：补水罐、储水罐、预热器、冷却器及之间所用连接管路等均采用纯钛材质，减少装置中不锈钢部件的使用，精确测量腐蚀产物的溶出释放速率，提高试验结果的精确度。

本发明设有超温报警功能、低温报警功能、超压报警功能、低压报警功能以及流量异常报警功能，同时通过数据采集和控制系统对流量、温度、压力以及水质溶解氧含量、溶解氢含量、pH、电导率和氧化还原电位等水化学参数进行实时监测和控制，保证系统的运行安全性。

本发明的数据采集和控制系统可精确设定运行时间，并在装置实际运行时间达到设定运行时间时自动切断预热器、加热器加热电源，并在各试验段温度低于50℃时关闭高压泵和第一循环泵而终止试验。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明高温高压水腐蚀产物溶出释放装置采用开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用，且在各试验段后端分别设置独立净化树脂，准确监测各试验段铁离子、铬离子、镍离子的释放量和释放速率，提高试验结果的可靠性，具备针对不同材料在高温高压水中开展不同水化学工况下腐蚀产物溶出释放的研发能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-补水罐，2-第一防倒吸排气装置，3-第二循环泵，4-起泡器，5-第二电导率仪，6-第二溶解氧表，7-第二溶解氢表，8-第二pH计，9-第二罐氧化还原电位计，10-储水罐，11-液位计，12-第一循环泵，13-第二防倒吸排气装置，14-第一电导率仪，15-第一溶解氧表，16-第一溶解氢表，17-储水罐pH计，18-第一氧化还原电位计，19-高压泵，20-高压过滤器，21-预热器，22-加热器，23、24、25-试验段，26-参比用试验段，27-冷却器，28、29、30-净化树脂，31-参比用净化树脂，32排水箱，SV1-安全阀，SV2-安全阀，F1-流量计，F2-流量计，F3-流量计，F4-流量计，F5-流量计，F6-流量计，F7-流量计，F8-流量计，F9-流量计，F10-流量计，EV1-补水罐氢气电磁阀，EV2-补水罐氧气电磁阀，EV3-补水罐氮气电磁阀，EV4-储水罐氢气电磁阀，EV5-储水罐氧气电磁阀，EV6-储水罐氮气电磁阀，RV1为补水箱减压阀，RV2为储水箱减压阀，RD1-爆破阀，RD2-爆破阀，RD3-爆破阀，RD4-爆破阀，BPV1-背压阀，BPV2-背压阀、BPV3-背压阀、BPV4-背压阀，-压力表，-截止阀，-单向阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，为开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用，包括具有储水罐10的储水系统，储水罐10依次连接有加热器22、冷却部和净化部，加热器22设置有多个试验段和一个参比用试验段26，多个试验段23、24、25和参比用试验段26并联设置，净化部内设置有多个净化树脂27、28、29和一个参比净化树脂31，多个净化树脂和一个参比净化树脂31并联设置，多个净化树脂和多个试验段数量相等且一一对应连接。本发明中的净化树脂即为核级离子交换树脂。

多个试验段为高镍基合金材质，参比用试验段26为纯钛材质。

为有效避免升降温过程试验段铁离子、铬离子和镍离子释放对试验结果造成的影响，提高了试验结果的准确性。每个净化树脂所在的支路上还并联有一由截止阀和单向阀组成的旁路。在预热器21和试验段升温和降温过程中，旁路处于导通状态而净化树脂支路处于关闭状态；在预热器21和试验段达到目标温度后，旁路处于关闭状态而净化树脂支路处于导通状态。

多个试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接。

还包括预热器21，预热器21设置在储水罐10和试验段之间用于对从储水罐10出来的流体进行预热；还包括高压泵19、高压过滤器20，所述高压泵19、高压过滤器20依次设置在储水罐10和预热器21之间。

储水罐10上端盖连接有安全阀SV2、压力表和液位计11；储水罐10下端盖依次连通有减压阀RV2和第二防倒吸排气装置13。

储水罐10的出水管路上还设置有第一循环泵12，第一循环泵12的一出口连接有三个并联支路，三个并联支路的出口设置在储水罐10内，第一循环泵12的另一出口和加热器22相连，所述三个并联支路中的一个支路由第一电导率仪14、第一溶解氧表15、第一溶解氢表16、第一储水罐10流量计串联而成，一个支路由第二pH计17、第一氧化还原电位计18和第二储水罐10流量计串联，一个支路由截止阀V7、第三储水罐10流量计串联而成。

储水罐10内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器4，所述起泡器4连接有气源装置。

还包括具有补水罐1的补水系统，补水系统的结构和储水系统的结构一致，补水罐1和储水罐10相连通。补水罐1出口通过管路依次经过截止阀V2、第二循环泵3、单向阀CV4连至储水罐10入口。补水罐1出口通过管路依次经过截止阀V2、第二循环泵3、单向阀CV4连至储水罐10入口。具体的，第二循环泵3出口通过由第二电导率仪5、第二溶解氧表6、第二溶解氢表7、流量计F1、第二pH计8、第二罐氧化还原电位计9、流量计F2、截止阀V3和流量计F3组成的三条并联支路与补水罐1上端盖连接；补水罐1下端盖通过管路与减压阀RV1和第一防倒吸排气装置2依次连接；补水罐1内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器4，所述起泡器4与单向阀CV1、电磁阀EV1、单向阀CV2、电磁阀EV2、单向阀CV3、电磁阀EV3连接，起跑器设置可快速调节补水罐1内水质的溶解氧和溶解氢含量。补水罐1上端盖设置压力表和安全阀SV1，可在补水罐1压力超过设定值时自动进行泄压保护。

预热器21出口通过管路依次与加热器22、冷却器27、背压阀、流量计、截止阀、净化树脂、单向阀、排水箱32连接。加热器22内设置有多个试验段23、24、25和参比用试验段26，参比用试验段26采用纯钛材质作为空白对比；多个试验段23、24、25均采用高镍基合金材质。每个试验段均采用分段加热和控温方式，保证各试验段内溶液温度的均匀性。试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接，保证了试验段拆卸、安装和更换的便利性。各个试验段出口和参比用试验段26出口分别单独设置压力表、爆破阀、背压阀、流量计。如对应各个试验段设置的BPV1背压阀，BPV2背压阀、BPV3背压阀、BPV4背压阀，流量计F7、流量计F8、流量计F9、流量计F10，RD1-爆破阀，RD2-爆破阀，RD3-爆破阀，RD4-爆破阀等。

本发明高温高压水腐蚀产物溶出释放装置数据采集和控制系统可精确设定运行时间，并在装置实际运行时间达到设定运行时间时自动切断预热器21、加热器22加热电源，并在各试验段温度低于50℃时关闭高压泵19和第一循环泵12而终止试验。在此实施例中，有3个试验段和3个净化树脂参与实施。

运行这套高温高压水腐蚀产物溶出释放装置的方法，包括如下步骤：

1、溶液注入。打开截止阀V1和截止阀V5,将配置好的试验溶液分别注入补水罐1和储水罐10，然后关闭截止阀V1和截止阀V5。

2、试验参数输入。分别输入溶解氧、溶解氢、预热器21目标温度、试验段目标温度、预热器21升温/降温速率、试验段升温/降温速率、试验时间等试验参数，将数据采集和控制系统开启至“自动模式”。

3、水质调节。打开截止阀V3、截止阀V7、电磁阀EV1、电磁阀EV2、电磁阀EV3、电磁阀EV4、电磁阀EV5、电磁阀EV6，开启第二循环泵3和第一循环泵12，试验溶液溶解氧、溶解氢等试验参数自动调节，直至所述试验参数达到目标值。

4、流量调节。打开截止阀V2、截止阀V4、截止阀V6、截止阀V9、截止阀V11、截止阀V13、截止阀V15，开启高压泵19并调节高压泵19流量，直至流量计F7、流量计F8、流量计F9、流量计F10流量值达到目标值。

5、压力调节。分别调节BPV1-背压阀，BPV2-背压阀、BPV3-背压阀、BPV4-背压阀的旋紧量，直至多个试验段23、24、25和参比用试验段26的压力均达到目标值。

6、预热器21和试验段升温。首先，开启预热器21和加热器22的电源开关，按照预先设定好的预热器21升温速率和试验段升温速率进行升温，直至预热器21和试验段温度达到目标值；然后，数据采集和控制系统自动打开截止阀V8、截止阀V10、截止阀V12、截止阀V14，自动关闭截止阀V9、截止阀V11、截止阀V13、截止阀V15。

7、预热器21和试验段降温。当系统运行时间达到预先设定试验时间后，数据采集和控制系统自动打开截止阀V9、截止阀V11、截止阀V13、截止阀V15，自动关闭截止阀V8、截止阀V10、截止阀V12、截止阀V14；然后，预热器21和试验段开始按照预先设定的降温速率开始降温，直到试验段和预热器21温度均低于50℃。

8、系统降压。分别调节BPV1-背压阀，BPV2-背压阀、BPV3-背压阀、BPV4-背压阀的旋紧量，直至多个试验段和参比用试验段26的压力均低于0.1MPa。

9、停止试验。首先关闭高压泵19电源开关，然后关闭第一循环泵12和第二循环泵3电源开关，最后将数据采集和控制系统开启至“手动模式”，试验结束。最终多余液体经过排水箱32排出。

实施例结果表明，采用本发明能够解决在高温高压水腐蚀产物溶出释放试验过程中腐蚀产物溶出释放速率无法精确测量的难题，可针对不同材料在高温高压水中开展不同水化学工况下的腐蚀产物溶出释放试验，并对试验过程中温度、压力、流量、溶解氧、溶解氢、pH、电导率、氧化还原电位等参数进行精确监测和控制，提高试验样品在高温高压水环境下腐蚀产物释放速率试验结果的准确性与可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，为开式直通方式，溶液一次性通过而不再循环利用，包括具有储水罐(10)的储水系统，储水罐(10)依次连接有加热器(22)、冷却部和净化部，加热器(22)设置有多个试验段(23，24，25)和一个参比用试验段(26)，多个试验段和参比用试验段(26)并联设置，净化部内设置有多个净化树脂(27，28，29)和一个参比净化树脂(31)，多个净化树脂和一个参比净化树脂(31)并联设置，多个净化树脂(27，28，29)和多个试验段(23，24，25)数量相等且一一对应连接，储水罐(10)的出水管路上还设置有第一循环泵(12)，第一循环泵(12)的进水端和储水罐(10)的出口端相连，第一循环泵(12)的出水端和储水罐(10)的入口端相连。

2.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，多个试验段(23，24，25)为高镍基合金材质，参比用试验段(26)为纯钛材质。

3.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，净化树脂(27，28，29)所在的支路上均并联有一由截止阀和单向阀组成的旁路。

4.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，多个试验段均通过异径管接头以对接焊方式与邻接管路进行焊接。

5.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，还包括预热器(21)，预热器(21)设置在储水罐(10)和试验段之间用于对从储水罐(10)出来的流体进行预热；还包括高压泵(19)、高压过滤器(20)，所述高压泵(19)、高压过滤器(20)依次设置在储水罐(10)和预热器(21)之间。

6.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，储水罐(10)上端盖连接有安全阀SV2、压力表和液位计(11)；储水罐(10)下端盖依次连通有减压阀RV2和第二防倒吸排气装置(13)。

7.根据权利要求6所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，循环泵的一出口连接有三个并联支路，三个并联支路的出口设置在储水罐(10)内，循环泵的另一出口和加热器(22)相连，所述三个并联支路中的一个支路由第一电导率仪(14)、第一溶解氧表(15)、第一溶解氢表(16)、流量计F4串联而成，一个支路由第二pH计(17)、第一氧化还原电位计(18)和流量计F5串联，一个支路由截止阀V7、流量计F6串联而成。

8.根据权利要求7所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，储水罐(10)内部设置有用于补充氢气、氧气和氮气的起泡器(4)，所述起泡器(4)连接有气源装置。

9.根据权利要求8所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，还包括具有补水罐(1)的补水系统，补水系统和储水系统的结构相同，补水罐(1)和储水罐(10)相连通，补水罐(1)和储水罐(10)的连接通路上还设置有第二循环泵(3)，第二循环泵(3)和补水罐(1)之间连接有一并联通路，并联通路由三条支路并联而成，一条支路上由第二电导率仪(5)、第二溶解氧表(6)、第二溶解氢表(7)、流量计F1串联而成，一条支路由第二pH计(8)、第二罐氧化还原电位计(9)、流量计F2串联而成，另一条支路由流量计F3、截止阀V3串联而成，补水罐(1)内设置有发泡器。

10.根据权利要求1所述的高温高压水腐蚀产物溶出释放装置，其特征在于，除多个试验段(23，24，25)以外的各装置和连接管路均采用纯钛材质。