核电蒸汽发生器传热管高温微动损伤机理及防护研究

蒸汽发生器是核电系统的重要设备，而传热管则是蒸汽发生器的关键部件。核电站生产运行中，由于介质流动和热传递导致传热管与管支撑之间的微动，所引发的微动损伤是蒸汽发生器爆管事故的主要原因，严重危及核安全。本研究针对蒸汽发生器传热管材料的微动损伤问题，循着从切向微动到切向与径向的双向复合微动的研究思路，开展蒸汽发生器传热管的高温微动磨损试验研究。在控制气氛下的高温切向微动磨损研究基础上，研制切向与径向组成的双向复合微动试验装置；通过不同模式和温度下接触界面的摩擦磨损特性、微动裂纹的萌生与扩展，以及接触界面材料组织结构变化和摩擦化学作用的分析，揭示核电蒸汽发生器传热管的微动损伤机理；进而结合典型涂层的试验研究，提出抗高温微动损伤的表面防护技术准则。相关研究不仅可以丰富微动摩擦学的基础理论，其成果对核电关键设备长寿命稳定运行具有重要的实际应用价值。

核电系统中，蒸汽发生器是关键设备之一，由于蒸汽发生器一回路和二回路热传导及高温高压介质流致振动，使传热管与支撑部件之间产生微动磨损，导致传热管局部损伤甚至破裂，使用寿命降低，危及核电安全。本研究研制了新型高温可控气氛传热管微动磨损试验装置并获得国家发明专利，实现了模拟高温、可控气氛及法向交变载荷下的微动磨损试验。本文选用两种传热管（Inconel 690和Incoloy 800合金）, 在不同环境下, 系统地进行了试验研究，揭示了微动的区域特性，建立了其运行工况微动图和材料响应微动图。在不同环境法向交变载荷下的微动损伤行为强烈地依赖于载荷、温度以及气氛等试验条件。从表面损伤形貌看，径向频率和气氛对磨屑的形态、化学成分及结构有重要影响；由于交变法向力和切向力的共同作用，微动产生叠加效应，使剥层现象更加突出。揭示了不同环境下微动的损伤机理并对其进行了有限元数值模拟；开展了高温微动的防护研究，提出了高温微动的防护准则。本研究探索了开展高温微动磨损的试验研究，不仅对探索特殊工况下的复杂微动损伤机理具有重要意义，而且也能为核电设备抗微动损伤设计及运行安全提供理论支持和工程实践指导。