CN115468900B - 一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，包括高温高压循环单元，用以提供高温高压运行环境；工艺参数测量单元，与高温高压循环单元连接，以实现高温高压循环回路出水的水化学参数测量；其中，高温高压循环单元的反应大釜置于非放环境中，反应小釜置于由水屏蔽的γ场下，以开展辐照环境和非辐照环境中的腐蚀或水化学试验；γ场为均匀剂量场，剂量率为1000～1500Gy/h。本发明的腐蚀测试装置可同时应用于辐照环境和非辐照环境中，高温高压条件下的材料腐蚀特性研究，对比材料在不同工况下的均匀腐蚀和电化学腐蚀情况，模拟材料腐蚀过程的真实环境；同时还可研究不同的水化学条件对材料腐蚀的影响。

Description

一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置

技术领域

本发明涉及材料腐蚀研究技术领域，具体涉及一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置。

背景技术

反应堆运行过程中，在辐照和高温高压的影响下，与冷却剂接触的浸润材料的腐蚀过程会加剧。辐照不仅会对材料本身发生交互作用产生缺陷，也会使冷却剂辐射分解，产生大量的自由基而加强电化学腐蚀过程。在高温高压条件下，不同类型的冷却剂由于酸碱度不同、溶解质不同、不同的材料等原因，发生的辐解反应也会不同，产生的电化学腐蚀结果也有所区别。目前，大部分高温高压材料腐蚀试验只是在非辐照条件下开展。在新型压水堆的开发过程中，不同的水质和新型材料的研发，均需通过模拟在真实的高温高压条件和辐照条件下开展材料腐蚀试验来验证材料的可靠性和水质的控制方案。一回路***中的设备材料长期服役于高温、高压、强辐射场以及含特定化学介质的水溶液中，其中，以Co-60为代表的γ放射性核素是反应堆一回路的主要辐射源之一，其沉积于一回路***管壁或累积于***中的低流量区域。当前反应堆设备材料尤其是国产材料在γ辐射场高温高压水中的基础数据仍十分缺乏，相关腐蚀机理的认识也难以深入。因此，模拟反应堆一回路的高温高压辐照环境开展浸润材料腐蚀试验研究是必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前尚不具有适用于在辐照环境和非辐照环境中高温高压水化学条件下开展材料腐蚀研究和水质指标控制研究的水化学循环回路装置。本发明的目的在于提供一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，以解决以上问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，包括：

高温高压循环单元，用以提供高温高压运行环境；

工艺参数测量单元，与所述高温高压循环单元连接，以实现高温高压循环回路出水的水化学参数测量；

其中，所述高温高压循环单元的反应大釜置于非放环境中，反应小釜置于由水屏蔽的γ场下，以开展辐照环境和非辐照环境中的腐蚀或水化学试验；

所述γ场为均匀剂量场，剂量率为1000～1500Gy/h。

在一可选的实施例中，还包括常温常压循环单元，用以提供常温常压运行环境；

所述工艺参数测量单元通过阀门切换与高温高压循环单元或常温常压循环单元的连接，以实现常温常压循环回路出水或高温高压循环回路出水的水化学参数测量；

所述高温高压循环单元与所述常温常压循环单元之间通过增压泵与背压阀实现运行环境中压力的升降。

在一可选的实施例中，所述高温高压循环单元包括增压泵、管道换热器、反应釜单元和冷却器，所述反应釜单元包括反应大釜和反应小釜；

所述增压泵的出口端连接所述管道换热器，所述管道换热器的出口端连接所述反应大釜和反应小釜的进口端，所述反应大釜与反应小釜的出口端连接所述管道换热器的循环进口端，所述冷却器连接所述管道换热器的出口末端。

在一可选的实施例中，所述反应大釜与反应小釜通过调节阀门进行单独运行或串联运行或并联运行。

在一可选的实施例中，所述反应大釜与反应小釜还分别对应连接有预热器。

在一可选的实施例中，所述冷却器设置两个，且串联连接，所述冷却器的出口端连接有背压阀，所述背压阀的末端连接常温常压循环单元。

在一可选的实施例中，所述高温高压循环单元的最高工作压力大于等于18Mpa。

在一可选的实施例中，所述常温常压循环单元的末端连接所述增压泵，所述常温常压循环单元包括储液罐、离子净化器，所述储液罐位于所述离子净化器的后端。

在一可选的实施例中，所述储液罐上配置有气体介质输送管路，用以向储液罐及常温常压循环回路中进行气体置换；

所述储液罐上还配置有气体释放通道，所述气体释放通道上设置减压及安全阀门，以确保低压段的压力稳定和***安全。

在一可选的实施例中，所述常温常压循环单元的运行压力小于等于0.3Mpa。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，可以同时应用于辐照环境环境和非辐照环境中，高温高压条件下的材料腐蚀特性研究，对比材料在不同工况下的均匀腐蚀和电化学腐蚀情况，模拟了材料腐蚀过程的真实环境，增加材料的研发筛选的进度和可靠性；同时还可以研究不同的水化学条件对材料腐蚀的影响，得到较好的水化学控制指标和水质控制方案，例如反应堆回路水质控制指标和水质控制条件等。且由于反应小釜是放置在由水屏蔽的γ场下，大大降低了屏蔽体外辐照剂量，消除剂量场对试验人员的伤害；同时在水屏蔽环境下也可以实现更换辐照样品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置结构示意图。

附图中各部件及对应的标记为：

1-储液罐，2-增压泵，3-管道换热器，4-反应小釜预热器，5-反应小釜，6-反应大釜预热器，7-反应大釜，8-第一冷却器；9-第二冷却器，10-工艺参数测量单元，11-离子净化器，12-气体介质输送管路，13-气体释放通道。

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，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。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

针对目前存在的问题，本发明对γ辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置进行研发，获得了一种可以同时用于辐照环境和非辐照环境中的高温高压条件下的水化学循环回路腐蚀测试装置。

本发明的装置的主要功能单元包括高温高压循环单元、工艺参数测量单元10；

高温高压循环单元可提供高温高压运行环境，且所述高温高压循环单元的反应大釜7置于非放环境中，反应小釜5置于由水屏蔽的γ场下，可开展辐照环境和非辐照环境中的腐蚀或水化学试验；所述γ场为均匀剂量场，剂量率为1000～1500Gy/h。

工艺参数测量单元10可在线测量实验溶液中的水化学参数，包括：溶解氧、溶解氢、pH值、电导率等；

从而本发明的装置可以同时应用于辐照环境环境和非辐照环境中，高温高压条件下的材料腐蚀特性研究，对比材料在不同工况下的均匀腐蚀和电化学腐蚀情况，模拟了材料腐蚀过程的真实环境，增加材料的研发筛选的进度和可靠性；同时还可以研究不同的水化学条件对材料腐蚀的影响，得到较好的水化学控制指标和水质控制方案，例如反应堆回路水质控制指标和水质控制条件等。且由于反应小釜5是放置在由水屏蔽的γ场下，大大降低了屏蔽体外辐照剂量，消除剂量场对试验人员的人身伤害；同时在水屏蔽环境下也可以实现更换辐照样品。

进一步地，该装置还包括常温常压循环单元，用以提供常温常压运行环境。通过阀门的切换，可实现常温常压循环回路出水的水化学参数测量，或高温高压循环回路出水的水化学参数测量。

高温高压循环单元包括增压泵2、管道换热器3、预热器、反应小釜5(带加热功能)、反应大釜7(带加热功能)和冷却器，反应小釜5和反应大釜7构成反应釜单元。冷却器的末端连接背压阀，从而由增压泵2出口至背压阀前端部分形成高温高压循环单元；背压阀的后端连接常温常压循环单元，从而由减压阀后端至增压泵2的前端部分形成常温常压循环单元。

高温高压循环单元的最高工作压力不小于18MPa，介质流经增压泵2、管道换热器3、预热器、反应小釜5(带加热功能)和/或反应大釜7(带加热功能)和冷却器，最终通过背压阀V8减压至0.3MPa后排出本单元而到达常温常压循环单元(即低压段)。反应小釜5与反应大釜7分别对应设置有反应小釜预热器4、反应大釜预热器6。冷却器设置两个，分别为第一冷却器8、第二冷却器9，且串联连接，所述冷却器的后端连接有背压阀。

高温高压循环单元设置的反应小釜5放置于由水屏蔽的γ场下，根据试验的要求可以调整剂量率。反应大釜7放置于非放环境中，反应大釜7和反应小釜5可以通过调节阀门实现单独运行、串联运行和并联运行，以适应不同的工况需求。如图1中所示，反应小釜5的前后端连接有阀门V1、V2，反应大釜7的前后端连接有V3、V4，阀门V1、V2之间设有阀门V5，阀门V3、V4之间设有阀门V6，阀门V1的前端、V3的后端设有阀门V7，通过阀门V5、V6、V7的启闭，可以实现反应小釜5和反应大釜7的单独运行、串联运行和并联运行。高压段采用增压泵2初级增压，再通过再生换热(即从增压泵出来的冷水通过管道换热器被加热，余热被回收)和两级电加热(即反应小釜预热器4和反应小釜4自带的加热装置，或反应大釜预热器6和反应大釜7自带的加热装置))的方式升温升压，最终在高压釜(反应大釜7和/或反应小釜5)内达到360℃和18MPa的运行状态，多级升温升压的方式可以最大限度减小管道的热应力，以确保回路长期稳定运行的功能。

常温常压循环单元的运行压力≤0.3MPa，可实现试验介质制备和贮存、试验介质净化等功能。设置有离子净化器11和储液罐1。试验溶液通过加液泵输送至储液罐1中储存，悬浮颗粒物可在试验前单独进行净化，而试验过程中添加或产生的回路介质中的离子，可选择通过离子净化回路进行净化。常温常压循环单元中设有多个阀门，如阀门V9、V10、V11、V12、V13、V14、V15、V16、V17，从而实现低压段条件下的腐蚀测试。此外，储液罐1配置有气体介质输送管路12，用以往储液罐1及回路中进行气体置换。储液罐1还设有气体释放通道13，并设置减压阀V18、安全阀，以确保低压段的压力稳定和***安全。

工艺参数测量单元10主要用于***的重要工艺参数测量，包括pH、溶解氢、溶解氧、电导率等水质参数，以及温度、压力等过程参数。通过调节增压泵2入口管路上的三通阀V12和背压阀V8出口管路上的三通阀V10可以监测常温常压循环单元的工艺参数，也可以监测高温高压循环单元的工艺参数。

以下详细说明本发明的γ辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置的具体工作过程：

(1)试验溶液除氧加氢

将试验样品分别装入反应大釜7和反应小釜5内，并安装连接好整个装置。调节阀门，通过加液泵将试验溶液注入储液罐1，直至试验设计的容量；打开增压泵2将试验溶液注入到反应小釜5或反应大釜7，以及整个循环管线；通入氮气，调节储液罐1上的减压阀，使常温常压回路压力保持在0.3MPa以下，增压泵2持续运行，使***内的氧气逐渐被氮气置换，直至试验需要的溶液氧浓度，通过工艺参数测量单元10实时监测pH、溶解氧、电导率等参数；关闭氮气入口阀，通入适量氢气，通过增压泵2不断循环将氢气均匀的溶解在溶液中，并通过工艺参数测量单元10实时监测溶解氢等参数。

(2)运行方式调节

本装置可实现反应小釜5和反应大釜7的单独运行、串联运行和并联运行。关闭阀门V5、V7、V3、V4，打开阀门V1、V2、V6，可实现反应小釜5单独运行；关闭阀门V1、V2、V6、V7，打开阀门V5、V3、V4，可实现反应大釜7单独运行；关闭阀门V5、V6、V7，打开阀门V1、V2、V3、V4，可实现反应小釜5和反应大釜7串联运行；关闭阀门V5、V3，打开阀门V1、V2、V6、V7、V4，可实现反应小釜5和反应大釜7并联运行。

(3)高温高压循环回路加压升温(串联方式)

调节阀门至串联运行方式。增压泵2是隔膜泵，可以通过调节背压阀来调节高温高压循环回路压力，调节隔膜泵使***达到试验设定的流量值，调节回路背压阀V8缓慢升高压力直至试验压力；待高温高压循环回路压力稳定后，开启冷却器，打开反应小釜5及预热器的温度控制器和反应大釜7及预热器的温度控制器，通过PLC控制***缓慢升高温度直至试验温度；待***温度稳定后，打开阀门V13，关闭阀门V14、V15，将试验循环回路切换至无储液罐1的回路，减少试验溶液体积，增加试验过程产生的物质的浓度，特别是辐照过程中产生的物质，有利于在线或离线过程测量的准确性；待***稳定后，调节并开启反应小釜5的放射源，开始记录试验时间节点。

(3)高温高压循环回路降温降压(串联方式)

试验运行结束后，在常温常压循环单元进行离线取样；取样完成后打开阀门V14、V15，并关闭阀门V1，将运行回路调节至储液罐1，增加降温降压过程的稳定性；缓慢调节反应小釜5及预热器的温度控制器和反应大釜7及预热器的温度控制器，并加大冷却器冷却介质流量，使高温高压循环单元的温度逐渐降至常温；缓慢调节背压阀V8使高温高压循环回路逐渐减压至常压；关闭增压泵2，从装置低点排除所有溶液，并采用氮气吹扫；最后采用去离子水对整个装置进行清洗直至***pH和电导率满足要求，如还不能满足要求，则启动离子净化柱对装置内的溶液进行净化已达到初设试验指标。

(4)工艺参数测量单元10运行

在除氧加氢阶段，调节阀门V9、V10、V11和V12，使阀门V9和阀门V10与工艺参数测量单元10连接，阀门V11和阀门V12与工艺参数测量单元10断开，以监测反应大釜7、反应小釜5内溶解氢和溶解氧的含量；在高温高压正常运行期间，则根据试验控制要求，调节工艺参数测量位置。工艺参数测量单元10内的溶解氧传感器、溶解氢传感器、电导率传感器、pH计传感器测得的有关参数，在变送器仪表上显示并传送至PLC控制器实时保存。

其中，PLC控制***为已知技术，在此不进行赘述。

目前大多数材料腐蚀研究均在非辐照条件下开展的，但是在辐射环境中材料的腐蚀会急剧加快，水化学性质也大大改变，对于应用于辐射环境中的材料研发仅仅依靠非辐照条件试验研究是远远不够的，本发明的γ辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置可以同时实现辐照环境和非辐照环境下，高温高压条件下的材料腐蚀特性研究及水化学水质控制研究，保证了材料研发的效率，可以对比材料在不同工况下的均匀腐蚀和电化学腐蚀情况，尽可能模拟了材料腐蚀过程的真实环境，增加材料的研发筛选的进度和可靠性。

以上的具体实施方式，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 (8)

1.一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，包括：

高温高压循环单元，用以提供高温高压运行环境；

工艺参数测量单元，与所述高温高压循环单元连接，以实现高温高压循环回路出水的水化学参数测量；

其中，所述高温高压循环单元的反应大釜置于非放环境中，反应小釜置于由水屏蔽的γ场下，以开展辐照环境和非辐照环境中的腐蚀或水化学试验；

所述γ场为均匀剂量场，剂量率为1000~1500Gy/h；

所述高温高压循环单元包括增压泵、管道换热器、反应釜单元和冷却器，所述反应釜单元包括反应大釜和反应小釜；

所述增压泵的出口端连接所述管道换热器，所述管道换热器的出口端连接所述反应大釜和反应小釜的进口端，所述反应大釜与反应小釜的出口端连接所述管道换热器的循环进口端，所述冷却器连接所述管道换热器的出口末端；

所述反应大釜与反应小釜通过调节阀门进行单独运行或串联运行或并联运行。

2.如权利要求1所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，还包括常温常压循环单元，用以提供常温常压运行环境；

所述工艺参数测量单元通过阀门切换与高温高压循环单元或常温常压循环单元的连接，以实现常温常压循环回路出水或高温高压循环回路出水的水化学参数测量；

所述高温高压循环单元与所述常温常压循环单元之间通过增压泵与背压阀实现运行环境中压力的升降。

3.如权利要求1所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述反应大釜与反应小釜还分别对应连接有预热器。

4.如权利要求2所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述冷却器设置两个，且串联连接，所述冷却器的出口端连接有背压阀，所述背压阀的末端连接常温常压循环单元。

5.如权利要求4所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述高温高压循环单元的最高工作压力大于等于18Mpa。

6.如权利要求2所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述常温常压循环单元的末端连接所述增压泵，所述常温常压循环单元包括储液罐、离子净化器，所述储液罐位于所述离子净化器的后端。

7.如权利要求6所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述储液罐上配置有气体介质输送管路，用以向储液罐及常温常压循环回路中进行气体置换；

所述储液罐上还配置有气体释放通道，所述气体释放通道上设置减压及安全阀门，以确保低压段的压力稳定和***安全。

8.如权利要求6所述的一种辐照环境下高温高压水化学循环回路腐蚀测试装置，其特征在于，所述常温常压循环单元的运行压力小于等于0.3Mpa。