A335P11鋼在流動加速腐蝕條件下的管壁減薄行為

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(1. 上海交通大學 核科學與工程學院,上海 200240； 2. 國核電力規(guī)劃設計研究院,北京 100094)

流動加速腐蝕(FAC)是造成核電廠二回路管線失效的主要因素。FAC通過流體與金屬表面發(fā)生腐蝕而引起管壁減薄，當管壁減薄到一定程度時，會突然發(fā)生爆裂，管道中的介質(zhì)會噴放，從而對外界環(huán)境造成嚴重破壞。1986年美國Surry核電二號機組以及2004年美濱核電廠的核電事故都是由FAC造成的[1]。國際上針對FAC的成因及其發(fā)展以及如何在事故發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)并對其進行有效控制開展了大量研究。美國電力研究所(EPRI)在1986年美國Surry核電廠事故后，根據(jù)FAC的研究成果開發(fā)了分析和預測二回路系統(tǒng)腐蝕的程序CHECWORKS[2]。很多科學家也對FAC問題進行了研究，產(chǎn)生了很多預測模型，包括Berge模型、Chexal-Horowitz模型等[3]。韓國在FAC方面已進行了許多卓有成效的研究工作，他們搭建了單相FAC研究試驗回路，并采用超聲波厚度測量儀器對材料厚度進行了測量[4]。在國內(nèi)，已有研究報道了有關片狀碳鋼管道材料在高流速飽和蒸汽環(huán)境中的FAC腐蝕行為[5]。

本工作針對核電廠二回路常用管道材料A335P11鋼進行了試驗。A335P11鋼是一種含鉻鋼材，是核電廠常規(guī)島二回路主給水管段、凝結水管段常用的管道材料。 有研究表明,合金中含有鉻元素將有利于抑制FAC[6]。本工作模擬核電廠常規(guī)島二回路工況，研究高溫高壓單相流體對管道材料沖蝕和腐蝕的影響，采用高精度的測厚技術研究了A335P11管材在FAC條件下的腐蝕減薄規(guī)律，以期為常規(guī)島二回路主要管道材料的選擇和結構設計提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 FAC回路設計及試樣

測試管段為A335P11管材，宏觀形貌見圖1,包括彎管段、變徑段和三通段，三者均采用一體成型回路內(nèi)的流體在離心循環(huán)泵的推動下依次經(jīng)過彎管、變徑管、三通管三個試驗段回到儲液罐形成閉合環(huán)路。儲液罐內(nèi)的加熱器使得流體的溫度維持在150 ℃，穩(wěn)壓器使得回路的壓力維持在3.0 MPa。試驗開始之前，F(xiàn)AC回路處于常壓；向化學調(diào)節(jié)水箱中加入去離子水以及聯(lián)胺；然后通過化學調(diào)節(jié)水箱旁的水泵將水箱中的混合溶液注入FAC回路中。經(jīng)過除氧環(huán)節(jié)之后，用溶氧儀測量除氧后介質(zhì)中的氧含量，確定介質(zhì)總氧含量達標后進行試驗。此后每隔300 h停止試驗，采用高精度的測厚技術測量試驗管段的厚度，同時從回路中取得試驗溶液進行氧含量、pH及離子含量檢測。在試驗過程中實時監(jiān)控回路中介質(zhì)的含氧量、pH以及離子含量，使得試驗回路始終處于正常工況下。

(a) 彎管 (b) 變徑管 (c) 三通管圖1 試驗管段的宏觀形貌Fig. 1 Macro-morphology of the test pipe: (a) elbow pipe; (b) adjustable pipe; (c) T-shaped pipe

的方式加工而成。這三種管道內(nèi)部產(chǎn)生的湍流更加強烈，對流動加速腐蝕的影響也較大，因此設計的試驗回路主要包括這三種管段，見圖2。

圖2 FAC試驗裝置簡圖Fig. 2 Schematic diagram of the FAC test device

1.2 試驗工況參數(shù)

試驗工況參數(shù)對腐蝕過程有重要的影響。本工作關注的重點是液相水的FAC問題，即凝結水管道和主給水管道的FAC問題。凝結水管道的壓力為常壓～2.75 MPa，溫度為27～156 ℃，流速為1.7～3.4 m/s;主給水管道壓力為3～9 MPa，溫度為180～230 ℃，流速5～8 m/s。有資料表明，材料在150 ℃時會發(fā)生嚴重的FAC[7]，因此設計試驗溫度為150 ℃，流速3.0 m/s，壓力為3 MPa，介質(zhì)pH為9.5，試驗時間為1 200 h。

回路工況參數(shù)的測量點分布見圖3。本工作關注的回路工況參數(shù)如下：2個溫度監(jiān)測點，見圖3中的3號表，分別用于測量貯水箱加熱水的溫度和彎管試驗段后部的水溫； 4個壓力監(jiān)測點，見圖3中的2號表，分別用于測量主泵進出口壓力、主回路的壓力和三通的一個支路的壓力；2個流量測點，見圖3中的1號表，分別用于測量主管路的流量和三通支路的流量； 1個液位測點(穩(wěn)壓水罐)，見圖3中的4號翻柱式液位計，用于對整個管路水位進行監(jiān)視。

圖3 回路工況參數(shù)測點分布圖Fig. 3 Distribution of measuring points

2 結果與討論

2.1 直管、彎管段的FAC測量結果

彎管段選擇了如圖4所示三個測量點進行測量，分別是W1、W2和W3，其中W1位于彎管內(nèi)弧面，W2和W3位于外弧面。

圖4 彎管測試段測點位置示意圖Fig.4 Measuring points of elbow

由圖5(a)可見： FAC導致彎管測量點W1的厚度發(fā)生嚴重減薄。減薄過程用線性模擬，其厚度減薄速率為8.10×10-6mm/h(0.071 mm/a)。經(jīng)分析，測量點W1靠近彎管的出口位置。根據(jù)流體流場分析[7-8],此處存在較大的湍流，受到的沖刷較為嚴重，因此發(fā)生FAC的傾向較大。

測量點W2位于彎管的外弧面上，根據(jù)流體流場分析，這里存在較嚴重的流體沖刷腐蝕。由圖5(b)可見：此處厚度減薄速率為6.91×10-6mm/h(0.061 mm/a)。

測量點W3也位于彎管的外弧面上，但彎曲弧度較小，形狀接近直管段，根據(jù)流體流場分析，此外管道也存在一定的流體沖刷減薄。由圖5(c)可見：此處厚度減薄速率為4.32×10-6mm/h(0.038 mm/a)。

上述測量結果表明：彎管內(nèi)弧面較外弧面的腐蝕減薄更加嚴重，這主要是由于內(nèi)弧面存在較大的液體湍流，湍流加速了鐵離子的溶解，導致FAC更為嚴重，管壁厚度減薄明顯。

(a) W1(b) W2(c) W3圖5 彎管段在測厚點的厚度測量結果Fig. 5 The thickness measurement results of the elbow section at thickness measuring points

2.2 變徑段的FAC測量結果

圖6為變徑測試段的測量點位置示意圖，包括由小管到大管的擴大變徑管段的測點B1和B2，和由大管到小管的縮小變徑管測點B3和B4，其厚度隨時間的變化趨勢見圖7。

圖6 變徑測試段測點位置示意圖Fig. 6 Measuring points of reducer

B1點位于變徑段的入口側(cè)，此處流場穩(wěn)定，可以認為此處是與直管段類似的環(huán)境。由圖7(a)可見：管壁厚度變化較小，減薄結果用線性模擬，其厚度減薄速率為2.38×10-6mm/h(0.021 mm/a)。

B2點位于由小到大的變徑進入部位，從流場分析看，此處存在一定的湍流現(xiàn)象，但由于管徑變化并不劇烈，過渡段的長度也較長，因此湍流引起的FAC現(xiàn)象不明顯。由圖7(b)可見：B2點厚度減薄速率為3.72×10-6mm/h(0.033 mm/a)。

B3點位于變徑后的大管上，可以認為是直管測點。由圖7(c)可見：B3點厚度減薄速率為4.04×10-6mm/h(0.035 mm/a) 。

B4點位于變徑段的出口斜面上。由圖7(d)可見：B4點的厚度減薄是變徑段中最大的，其厚度減薄速率為6.26×10-6mm/h(0.055 mm/a)，這是由于該點位于斜面上，受到較大的沖刷腐蝕。

2.3 三通段的FAC測量結果

三通測試段存在較大的流場變化，三段管道中流速的變化也較大，影響其流動加速腐蝕的因素比較復雜，因此本試驗僅將其列為參考測量點，在三通的輔出水口設置了一個測量點S1(見圖8)，其測量結果見圖9。

由圖9可見：三通段S1點的厚度減薄速率為7.69×10-6mm/h(0.067 mm/a)，腐蝕速率較快，這表明此處受到的沖刷腐蝕較強。這是因為S1處由于管路分叉，存在較大的湍流，引起了明顯的FAC。

(a) B1 (b) B2

(c) B3 (d) B4圖7 變徑段在測厚點的厚度測量結果Fig. 7 The thickness measurement results of the variable diameter section at thickness measurement points

圖8 三通測試段測點位置示意圖Fig. 8 Measuring point of T-shaped pipe

圖9 三通測試點S1的厚度測量結果Fig. 9 The thickness measurement results of the T-shaped pipe at point S1

3 結論

(1) A335P11鋼近的彎管段由于存在湍流，相比直管段，F(xiàn)AC現(xiàn)象明顯。彎管測量點的實測結果表明，彎管內(nèi)弧面較外弧面的腐蝕減薄更嚴重，這主要是由于內(nèi)弧面存在較大的液體湍流，湍流加速了鐵離子的溶解，導致FAC更嚴重，管壁厚度減少明顯。

(2) 對于變徑管，擴大變徑管段入口處的流場較穩(wěn)定，此處的腐蝕速率接近直管段的；而漸縮管段出口處受到的沖刷腐蝕是整個管段中最強的，這與該點位于斜面上受到較大的沖刷腐蝕有關。

(3) 三通管的輔出水口處的管壁減薄速率較大，表明該處所受到的FAC較強。

(4) 發(fā)生FAC最嚴重的部位是彎管內(nèi)弧面(最大減薄速率0.071 mm/a)、縮小變徑管段出口處(最大減薄速率0.055 mm/a)以及三通測試段的輔出水口處(最大減薄速率0.067 mm/a)。變徑管段的整體減薄速率是最小的，而彎管段與三通段的減薄速率相對較大。