核電廠二回路為封閉的汽水循環回路,其主要功能為將高溫高壓蒸汽導入汽輪機做功后冷凝,再將冷凝水逐級加熱送至蒸汽發生器二次側產生蒸汽,并維持這一汽水循環不斷運行。二回路由蒸汽發生器、汽輪機、凝汽器、多級給水加熱器、除氧器、主給水泵等設備和相應的汽水分離再熱、抽氣疏水、蒸汽發生器排污及其他輔助系統組成。圖1為某核電廠二回路熱平衡簡圖[1] 。

核電廠二回路管道主要選用低碳鋼管件焊接連接。由于蒸汽發生器是壓水堆核電廠一回路和二回路的主要壓力邊界,為關鍵的核安全1級設備,其結構復雜、檢修更換成本高,因此從蒸汽發生器運行的安全性和經濟性角度考慮,二回路水化學控制主要是創造一個低腐蝕的還原性條件以保證蒸汽發生器的使用壽命。一般通過在除鹽水中加入聯氨等除氧劑除氧,加入嗎啉、氨等堿化劑調節pH,將二回路溶解氧質量濃度控制在10μg·L-1以下,pH控制在9.6~9.8(25℃),其他有害離子如Cl-質量濃度約為1μg·L-1。在此水化學環境中,二回路設備管道的腐蝕速率總體緩慢,給水總鐵含量約為1μg·L-1[1,2] 。

但溶解氧含量低的環境不利于低碳鋼管線內壁形成穩定而致密的氧化膜,管線局部位置由流動加速腐蝕(FAC)造成的減薄會比較顯著。此外,由于結構或壓力突變,一些節流孔板、壓力控制閥、疏水減壓閥等設備下游會產生高流速并發生介質的相態、流態變化,不僅會加劇FAC,也可能造成沖蝕(EC)。與FAC相比,EC造成的管壁減薄速率更快,甚至會形成常規超聲測厚難以準確探查的沖蝕溝槽,管線短時間內即可發生泄漏。運行經驗表明,FAC和EC是核電廠二回路管道的主要腐蝕降級形式。

圖1 某核電廠二回路熱平衡簡圖

(1)蒸汽發生器;(2)高壓缸;(3)汽水分離再熱器;(4)低壓缸;(5)發電機;(6)凝汽器;(7)1號低壓加熱器;(8)2號低壓加熱器;(9)3號低壓加熱器;(10)除氧器;11 5號高壓加熱器;12 6號高壓加熱器

1986年12月9日,美國Surry核電站二回路管線破口,造成4人死亡,4人重傷;2004年8月9日,日本Mihama核電站二回路管線破口,造成4人死亡,7人受傷。據統計,由于對核電廠二回路管道的腐蝕降級缺乏認識,世界范圍內核電廠二回路腐蝕降級造成的管道破口事件已有上百起,嚴重影響了核電廠人員安全和機組安全、可靠、經濟運行。因此,對核電廠二回路管道的腐蝕降級進行有效的監督和控制至關重要。

本工作根據二回路管道的設計、運行特點,討論了FAC、EC的機理及影響因素,對氣液兩相環境中管線不同程度的腐蝕損傷特征進行了分析,研究了相應的敏感點識別方法。

1 二回路管道的FAC和EC

1.1 二回路管道的FAC

FAC是一種電化學腐蝕。對于低碳鋼等合金,溶液中陽極溶解和沉積作用會在金屬基體表面形成一定厚度的Fe3O4氧化膜,這一多孔擴散阻礙層能夠降低溶解氧和Fe2+的傳質速率;同時,Fe3O4氧化膜也會在溶液的還原作用下溶解。當Fe3O4的生成速率與其溶解速率達到平衡時,Fe3O4多孔擴散阻礙層的厚度保持不變,可防止金屬進一步腐蝕。但是,隨著溶液流速逐漸增大,金屬基體及其氧化膜附近的Fe2+濃度梯度隨之增大,氧化膜溶解加速,多孔擴散阻礙層減薄,進而加快了Fe2+的擴散和遷移,使金屬基體不斷腐蝕減薄,見圖2。

圖2 FAC減薄機理示意圖

考慮氧化膜的穩定性和Fe2+的擴散性,FAC的影響因素主要為材料、環境和流體動力學3方面。

合金元素是影響金屬氧化膜穩定性和溶解度的內因,適當增加低碳鋼中的鉻含量可顯著提高其抗FAC能力,合金元素銅、鉬也能緩解FAC。

影響FAC的環境因素包括溫度、pH、溶解氧含量等。液態單相流150℃、汽液兩相流180℃時FAC速率最大;pH控制在9.5以上時,FAC速率隨pH增大急劇減小;溶解氧質量濃度低于10μg·L-1時FAC敏感性大,當溶解氧質量濃度達到90μg·L-1時FAC可忽略不計。

流體動力學因素主要包含流速、結構、粗糙度等,通過影響Fe2+向主體溶液中擴散、遷移的傳質速率來起作用。

1.2 二回路管道的EC

EC指高速液滴或者液流沖擊機械力作用下造成管道內壁氧化膜及金屬基體損傷的一種腐蝕形式。由于低碳鋼Fe3O4氧化膜和不銹鋼鈍化膜在高溫液態單相環境中具有較高的力學穩定性,因此核電廠二回路管道發生的EC主要以氣液兩相下的液滴沖擊侵蝕、空泡腐蝕和閃蒸沖刷等損傷形式為主,運行經驗表明二回路管道也存在液態單相流下的噴射切割損傷。

液滴沖擊侵蝕是指摻雜在氣相中的液相微粒在高速氣流帶動下持續離散地沖擊管道內壁,使氧化膜或金屬基體表面接觸應力顯著升高而發生局部磨損,彎頭、三通、孔板、閥門等處的結構或壓力變化往往會使二回路管道遭受液滴沖擊侵蝕。

空泡腐蝕是指高溫高壓流體的壓力下降至飽和蒸汽壓以下后,液相中形成大量微小汽泡,這些汽泡被帶到下游高壓區后隨即發生劇烈爆裂,靠近管壁處的大量汽泡爆裂導致管道內壁發生高頻疲勞損傷。

閃蒸沖蝕是指高溫高壓液態單相流或氣液兩相流的壓力在突然下降至飽和蒸汽壓以下后,流體中的液相迅速汽化,流體體積急劇膨脹,流體流速驟然加快使管道內壁氧化膜或金屬基體受損的一種破壞形式。流體以氣相為主時閃蒸作用實際上是加速了液滴沖擊侵蝕,而以液相為主時,閃蒸作用使流體加速在管道內壁形成光滑的磨痕。

液態單相流下的噴射切割損傷是指高溫高壓的液態單相流在流經高壓差小開度閥門后,由于壓力驟降產生小股高速流體對管道金屬基體的機械切割損傷,高速液流會在管道內壁沿流向切割出鋒利的溝槽。同時,由于壓力突然下降,也會伴隨一定程度的液滴沖擊或閃蒸沖蝕。

2 液態單相介質中的FAC損傷特征

以某給水泵暖泵管線節流孔板下游管線為例,采用體式顯微鏡和掃描電鏡等設備研究了管道在液態單相介質中的FAC損傷特征。管道運行溫度142℃、運行壓力7 MPa。管道尺寸為DN20,材料為ASME SA106B,采用電感耦合等離子光譜發生儀測定管段母材中鉻的質量分數為0.10%。

2.1 液態單相條件下的腐蝕損傷

圖3為液態單相環境中,未發生腐蝕損傷和發生腐蝕損傷的管道內壁形貌。兩者均已累計運行10a。由圖3(a)可見,管道內壁被均勻平整的氧化膜覆蓋,氧化膜未發生局部溶解損傷。能譜半定量分析表明氧化膜由氧和鐵組成,其中鐵的原子分數為43%,與Fe3O4中鐵的含量基本吻合。由圖3(b)可見,管道內壁局部存在結疤狀腐蝕產物,個別位置已存在較淺的腐蝕坑,這些腐蝕坑與液態單相環境中特殊工況下氧化膜的局部溶解損傷有關。

圖3液態單相條件下管壁有、無局部腐蝕損傷的形貌

2.2 液態單相條件下的FAC

圖4為液態單相環境中發生局部輕微FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行4a,現場超聲波測厚未發現明顯減薄。管道內壁局部存在寬度較大但深度很淺的條帶狀凹坑,凹坑深度沿流向逐漸減小。觀察發現這些深度較淺的凹坑已有氧化膜剝落跡象。能譜半定量分析表明凹坑處的鐵含量為62.28%(原子分數,下同),明顯高于Fe3O4中43%的鐵含量,這表明表面氧化膜已存在一定程度的損傷。

圖5為液態單相環境中發生輕度FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行8a。現場超聲波測厚能夠發現孔板下游管道存在異常減薄,最大減薄速率為0.19mm/a。從壁厚分布情況來看,減薄區與非減薄區壁厚平緩過渡,管內壁靠近孔板位置存在密集小凹坑,凹坑沿流向逐漸變得大而稀疏。凹坑均呈馬蹄形,觀察凹坑底部可見,氧化膜在流體作用下發生局部溶解的痕跡。分別對氧化膜的未溶解區和溶解區進行能譜分析,發現溶解區鐵含量為74.61%,未溶解區鐵含量為41.87%。

圖4 液態單相條件下管內壁的局部輕微FAC形貌

圖5液態單相條件下管內壁的輕度FAC形貌

圖6為液態單相環境中發生中度FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行4a,根據超聲測厚數據計算最大減薄速率為0.22 mm/a。從壁厚分布情況來看,減薄區與非減薄區壁厚平緩過渡。宏觀可見管道內壁靠近孔板位置布滿了均勻分布的凹坑,凹坑沿流向逐漸變得大而稀疏,見圖6(a)。凹坑呈馬蹄形均勻分布,對凹坑以及凹坑底部的能譜分析表明,表面主要由鐵和氧組成,其中鐵含量為62.28%,明顯高于Fe3O4中鐵的含量。觀察凹坑底部可見氧化膜在流體作用下發生局部溶解的痕跡。

圖7為液態單相環境中發生嚴重FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行10a,現場超聲測厚發現孔板下游管道異常減薄,最大減薄速率達0.3mm/a。從壁厚分布情況來看,減薄區與非減薄區壁厚平緩過渡。靠近孔板位置有密集的小凹坑,小凹坑呈蜂窩狀,沿著流體方向凹坑逐漸變得大而稀疏。凹坑底部的氧化膜在流體作用下也呈現出明顯溶解的痕跡。能譜分析表明,凹坑底部氧化膜表面主要由鐵和氧組成,其中鐵含量已達到66.2%。

圖6液態單相條件下管內壁的中度FAC形貌

圖7 液態單相條件下的管內壁嚴重FAC形貌

由以上分析可以發現,液態單相下管道內壁氧化膜狀態受FAC速率影響,FAC速率越大,氧化膜損傷越嚴重,同時,氧化膜的損傷進一步加劇了FAC。對發生不同程度FAC損傷的管道內壁形貌觀察可以發現,液態單相下FAC減薄區與非減薄區壁厚平緩過渡,管線靠近孔板位置即FAC敏感位置存在密集小凹坑,凹坑沿流向逐漸變得大而稀疏,微觀下凹坑呈馬蹄形均勻分布。這種形貌與液態單相下管道局部流態和流場相對較為穩定有關。

3 氣液兩相介質中的FAC損傷特征

核電廠二回路管道氣液兩相流流速較大,流態復雜,對氧化膜的影響強烈,對氣液兩相流下發生不同程度腐蝕損傷的低碳鋼管線內表面宏微觀特征進行了觀察和分析。

管道為主氣門疏水管線節流孔板下游管段,管道運行溫度257.6℃,運行壓力4.51MPa。管道尺寸為DN25,材料為ASME A106B,管段母材中鉻的質量分數均為0.10%。

3.1 氣液兩相條件下局部腐蝕

圖8為氣液兩相環境中發生局部FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行10a。宏觀可見內壁有較多結疤狀腐蝕產物,有明顯的沉積痕跡,能譜顯示結疤處與基體處成分相近,均為鐵和氧的化合物。可見在氣液兩相流作用下,氧化膜發生了局部溶解,溶解的氧化膜沒有及時被主體流體充分帶走,而是逐漸沉積在凹坑表面,形成沿流向分布的結疤。氣液兩相環境中,流體的流態較純液相環境中的更復雜,流體中離子的傳質速率也更高,氧化膜溶解速率較快,與2.1節所述的液態單相下的局部腐蝕損傷相比,形成的結疤和蝕坑更多,腐蝕損傷也更嚴重。

圖8氣液兩相條件下局部FAC形貌

3.2 氣水兩相條件下FAC

圖9為氣液兩相環境中發生中度FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行10a,現場超聲波測厚能夠發現孔板下游管道存在異常減薄,最大減薄速率為0.2mm/a。

圖9氣液兩相條件下中度FAC形貌

宏觀上孔板附近區域減薄嚴重,減薄位置呈虎皮斑紋花樣,存在強烈的流體湍流影響痕跡;沿流向虎皮斑紋花樣逐漸消失,壁厚減薄量也逐漸減小。這表明流體經過孔板后由于壓降發生了部分氣化,形成氣相為主的氣液兩相,氣液兩相流下FAC劇烈,隨后溫度逐漸下降,流體以液相為主。能譜分析表明,無論氣液兩相區還是液相區,凹坑底部氧化膜均不完整。

圖10為氣液兩相環境中發生嚴重FAC的管內壁形貌。該管道已累計運行8a,最大減薄速率為0.3mm/a。可見靠近孔板處減薄嚴重,減薄區與非減薄區過渡較突然,減薄區壁厚出現整體損失。

宏觀可見管內壁布滿了小凹坑,減薄區呈現出強烈的流體湍流痕跡。微觀可見減薄區凹坑呈馬蹄坑狀均勻分布。能譜分析表明,減薄區表面主要為鐵和氧的氧化膜,氧含量很低。說明此位置形成的Fe3O4氧化膜在氣液兩相環境中的溶解速率較快,相應的FAC減薄速率很高。

由以上分析可以發現,氣液兩相下管道內壁氧化膜較液態單相下損傷更為嚴重,FAC速率也更大。由于氣液兩相條件下流體的強烈作用,減薄區與非減薄區過渡較突然,減薄區出現整體的壁厚損失,雖然最大減薄速率與液態單相下相近,但實際腐蝕失重卻大很多。

圖10氣液兩相條件下嚴重的FAC形貌

4 二回路管道EC損傷特征

圖11為高壓缸疏水管線節流孔板下游的ASME SA106B、DN25管道內壁在汽液兩相條件下發生EC的形貌。孔板上游運行溫度216℃,運行壓力1.95 MPa;孔板下游運行溫度167℃,運行壓力0.64 MPa。

該管線已累計運行12a,最大減薄速率約0.5mm/a。宏觀上可見孔板下游位置已經發生了腐蝕穿孔,腐蝕減薄形貌呈河流狀和平滑溝槽狀,微觀下呈波紋狀或海灘狀,幾乎未見穩定的氧化膜存在,為典型沖刷腐蝕形貌;在腐蝕穿孔位置下游的管道內壁也發現了馬蹄坑狀FAC形貌。

圖12為高壓加熱器疏水閥下游管道內壁沖蝕形貌。管線運行10a后,現場超聲測厚發現管道整體減薄并存在局部嚴重減薄,嚴重減薄處壁厚已由5mm減至1.5mm。該疏水閥上游為液態單相流,運行溫度170℃,運行壓力1.2 MPa;閥后連接凝汽器,考慮管阻壓降等因素后閥后運行壓力約為0.01 MPa。閥門小開度動作或小流量內漏時產生高壓噴射流,流速可達177m/s,直接對管壁金屬進行噴射切割,形成明顯溝槽,高倍下溝槽底部沿流體方向存在線狀沖刷凹坑。同時高溫高壓水經過閥門后發生閃蒸,加劇流體對管壁的沖刷,導致管道整體減薄。除噴射切割處形成的溝槽外,其他減薄位置較為光滑,為閃蒸沖刷形貌。

圖11氣液兩相下嚴重的EC形貌

圖12液態單相條件下的嚴重EC形貌

可見,EC的減薄速率明顯大于FAC的,沖刷形貌也與相應腐蝕機理有關,其中高速液流可能會沖刷出窄而深的溝槽,常規超聲測厚手段難以發現并準確測量剩余壁厚,需根據實際運行工況對檢查結果進行判斷并保守決策。

5 腐蝕降級敏感點的識別

液態單相中FAC對壁厚的影響較為溫和,壁厚減薄區與未減薄區平緩過渡,管道內壁均布蝕坑,蝕坑沿流向逐漸變得大而稀疏,微觀上呈馬蹄坑形貌。汽液兩相中FAC對壁厚影響較大,減薄區集中于局部位置或管段,減薄區壁厚發生了整體減薄,減薄區與未減薄區壁厚過渡較突然。減薄處宏觀呈虎皮斑紋,微觀上呈馬蹄坑形貌。氣液兩相下發生EC時,壁厚存在較大程度的局部突變,具體形貌與相應的沖蝕機理有關。高速液流的切割沖蝕則形成鋒利的沖刷溝槽,壁厚局部突變嚴重。

由于管道定期監督的常用方法為均勻布點實施超聲波壁厚測量,因此對FAC造成的壁厚減薄較易識別,但對于減薄速率快,而泄漏危害大的EC所造成的局部減薄則容易被漏檢,尤其難以準確發現溝槽狀減薄區。因此,應在充分了解腐蝕降級機理的前提下,通過材料、工況、壁厚分布、內表面宏微觀形貌等特征的分析,明確區分FAC和EC部件,識別出二回路的腐蝕降級敏感點,再實施針對性的定期檢查和預防性維修。

對核電廠工程實際而言,二回路水化學調控趨于穩定后,影響FAC的主要因素僅限于材料、溫度和流場3方面。可根據管道的材質和運行溫度篩選出FAC敏感管線,進而再根據流場特征識別出管線上的FAC敏感點。而EC敏感點的識別則主要考慮流場特征。具體的敏感點識別方法可參考表1。為提高后續的定期檢查和預防性維修效率,將EC和FAC敏感點按相應的影響因素分為敏感和次敏感2個級別。針對不同級別規劃相應的檢查計劃,各相鄰級別的敏感點可根據實際的跟蹤檢查情況進行適當的分級調整以對應不同的檢查策略。

表1 二回路管道腐蝕降級敏感點識別

除實施二回路管道的定期監督外,如果通過實際運行驗證能夠確定為管線因FAC發生降級,可將液態單相常開管線和預期壽命小于10a的氣液兩相管線更換為鉻含量高于1%(質量分數)的合金鋼或不銹鋼管道[7],如常見的P11、P22或304L等,從而徹底消除FAC失效敏感點;對于確定因EC降級的管線,可考慮引入高表面硬度的材料或表面噴涂高強度合金的方式緩解EC;對于嚴重的EC,必要時需要優化系統設計,降低壓差從而降低局部流速,以緩解EC。但應注意,提高表面強度和改善系統設計并不能夠徹底消除EC失效敏感點。

6 總結

FAC和EC是核電廠二回路管道的主要腐蝕降級形式。其中,二回路管道的FAC主要受材料、溫度和流場等因素影響,而EC主要受流場和流態的影響;在液態單相流、氣液兩相流介質條件下FAC和EC減薄區的壁厚分布、宏微觀形貌、氧化膜狀態等都各不相同,可根據本文討論確定的腐蝕降級特征明確區分各類失效形式,并對核電廠二回路管道的腐蝕降級敏感點進行有效識別和分級管理。在此基礎上,通過開展針對性的監督評價、材質變更及系統設計優化,能夠對FAC和EC進行有效監控,從而保障二回路管道在壽期內完整可靠。

參考文獻:

[1] 趙亮,胡建群,吳志剛,等.核電站二回路管道流動加速腐蝕管理探討[M].北京:化學工業出版社,2009.

[2] 趙亮,胡建群,吳志剛,等.秦山第三核電廠二回路管道流動加速腐蝕管理[M].北京:化學工業出版社,2010.