A105碳鋼材料管道的腐蝕穿孔原因

劉 忠,董海濤,潘姚凡,張忠偉

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

國內(nèi)某核電廠運行4 a，檢修部門發(fā)現(xiàn)消防系統(tǒng)節(jié)流孔板下游管道出現(xiàn)腐蝕穿孔，消防管道發(fā)生外漏，如圖1所示。消防系統(tǒng)作為核電廠重要的輔助安全系統(tǒng)，在核電廠的安全運行中扮演重要的角色。一旦消防系統(tǒng)失效，將影響人員設(shè)備安全，甚至危及核安全。核電廠消防系統(tǒng)管道在運行數(shù)年以后，會出現(xiàn)各種各樣的腐蝕問題，故本工作針對核電廠消防管道穿孔問題進(jìn)行了深入分析，并提出了應(yīng)對措施，以期為核電站的安全運行提供借鑒。

1 試驗

對管線內(nèi)部形貌、氧化膜形貌以及分布進(jìn)行宏觀和微觀觀察，根據(jù)表面形貌，結(jié)合現(xiàn)場工藝工況及環(huán)境，初步判定管壁減薄模式。消防管道有多種腐蝕模式，電偶腐蝕、管結(jié)瘤腐蝕、空泡腐蝕等[1]。對管道材料進(jìn)行成分分析，根據(jù)材料成分、運行工況、介質(zhì)判斷材料傾向于何種失效方式。

(a) 宏觀形貌

(b) 局部放大圖圖1 穿孔消防管道的形貌Fig. 1 Morphology of the perforated fire pipe: (a) macro morphology; (b) enlarged view

用線切割方法在不同區(qū)域截取腐蝕坑金相試樣，試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光并侵蝕后進(jìn)行金相檢查，分析材料組織。在管道內(nèi)部取腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，分析腐蝕產(chǎn)物的物相組成。

FERNG[2]采用CFD(計算流體力學(xué))方法對核電廠管道的沖蝕進(jìn)行了模擬，得出了較好的結(jié)論。BENEDETTO等[3]將CFD計算結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行了比對，結(jié)果良好。一般情況下，孔板下游通常為沖蝕和空蝕敏感部位，流動狀態(tài)對腐蝕模式影響很大[4]，為分析流體的影響以及發(fā)生沖蝕和空蝕的可能性，采用計算流體力學(xué)對管線內(nèi)部流速流態(tài)進(jìn)行模擬分析，以確定流體在管線各部位的流速和流態(tài)，結(jié)合實際減薄區(qū)域，進(jìn)行研究比較，進(jìn)一步確定管線減薄模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

管道內(nèi)壁整體分布著一層深褐色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕穿孔處位于接頸法蘭短截處，距離接頸法蘭和管道的焊縫約5.7 mm。管道內(nèi)壁上散布著大量圓形管結(jié)瘤，敲開管結(jié)瘤可以發(fā)現(xiàn)，部分管結(jié)瘤已經(jīng)演化成腐蝕坑，如圖1所示。接頸法蘭管結(jié)瘤比較堅硬，腐蝕產(chǎn)物與基體結(jié)合緊密。用刮刀刮開部分管結(jié)瘤，可見內(nèi)呈黑色，符合管結(jié)瘤的典型形貌特征。

2.2 化學(xué)成分

消防水管道材料各元素含量如表1所示，根據(jù)成分組成，材料為A105碳鋼材料，成分均滿足ASTM A 105-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 消防管道的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of fire pipe %

2.3 金相檢驗

用線切割方式在穿孔區(qū)域和腐蝕坑區(qū)域截取2個金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光、侵蝕后進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖2和3所示。

管道的基體組織均為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，符合A105鋼鍛件和軋制件的正常組織形態(tài)。腐蝕坑底和側(cè)壁輪廓線均呈現(xiàn)正常的腐蝕坑形貌特征，未見有呈方向性的細(xì)小輪廓或尖銳的沖蝕或空蝕形貌。

(a) 穿孔處 (b) 穿孔邊緣圖2 管道穿孔處及穿孔邊緣的微觀形貌Fig. 2 Micro-morphology of the pipe at the location of perforation (a) and the edge of perporation (b)

2.4 腐蝕產(chǎn)物物相分析

在管道內(nèi)壁腐蝕區(qū)取腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，結(jié)果見圖4。由圖4可見，腐蝕產(chǎn)物的物相組成為Fe(OH)3和Fe3O4。

2.5 微觀形貌觀察

由圖5可見，靠近穿孔的2區(qū)處的腐蝕產(chǎn)物較為致密，1區(qū)和3區(qū)處腐蝕產(chǎn)物較為疏松，內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物從外向內(nèi)逐漸變得致密，宏觀檢查顯示這些區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物整體較堅硬，與基體結(jié)合緊密。

2.5 流體作用分析

管道穿孔處位于節(jié)流孔板下游，孔板下游通常為空泡腐蝕敏感部位，利用CFD模擬分析了此處發(fā)生空泡腐蝕的可能性。

建立二維有限元分析模型，孔板前管道長度取2倍管徑，孔板后管道長度取5.5倍管徑，采用速度入口與壓力出口邊界條件。網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型，考慮重力。

(a) 腐蝕坑邊緣

(b) 腐蝕坑底部圖3 腐蝕坑區(qū)域的微觀形貌Fig. 3 Micro-morphology of the corrosion pit: (a) edge of the corrosion pit; (b) bottom of the corrosion pit

圖4 腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果Fig. 4 XRD analysis results of corrosion products

管道流量為34.3 m3/h，換算成線性速度約為1.09 m/s，出口壓力為900 kPa時，入口壓力約1 490 kPa，基本與泵的出口壓力一致。

靜壓分析結(jié)果表明:最小壓力為522 kpa，流體運行最高溫度為50 ℃，此溫度下其飽和蒸汽壓為12.34 kPa(0.123 4 bar)，最小壓力遠(yuǎn)大于飽和蒸汽壓，流體在經(jīng)過此節(jié)流孔板后不會出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

對管道內(nèi)流體的速度分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明：流體經(jīng)過節(jié)流孔板后流速迅速增大，在孔板后300mm處達(dá)到最大值后迅速降低；此區(qū)域流體對壁面作用相對其他部位的更為強烈。

(a) 穿孔處宏觀形貌

(b) 1區(qū)局部放大圖

(c) 2區(qū)局部放大圖

(d) 3區(qū)局部放大圖圖5 腐蝕穿孔處的腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌及其局部放大圖Fig. 5 Macro morphology (a) and its enlarged view (b-d) of corrosion products at the position of perforation

2.6 討論

綜合以上理化分析和模擬計算分析結(jié)果，靠近法蘭一側(cè)500 mm范圍內(nèi)管壁上整體覆蓋著一層深褐色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物較為密實，與基體結(jié)合緊密，在腐蝕產(chǎn)物表面散布著大量管結(jié)瘤和大小不一的腐蝕坑，腐蝕坑形狀不規(guī)則，邊緣輪廓到坑底較為陡峭，整體上，位于該區(qū)域內(nèi)的腐蝕坑在腐蝕坑輪廓上同樣未見明顯方向性特征，在分布上也未見空泡腐蝕特征。

管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的物相組成為Fe(OH)3和Fe3O4，為常規(guī)腐蝕產(chǎn)物；管道材料化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；金相檢測發(fā)現(xiàn)腐蝕坑底和側(cè)壁輪廓線均呈現(xiàn)出正常的腐蝕坑形貌特征，未見有呈方向性的細(xì)小輪廓或尖銳的沖刷形貌，非空蝕特征。

計算分析發(fā)現(xiàn)節(jié)流孔板壓降較小，不具備發(fā)生空泡腐蝕的條件，但是在孔板后約350 mm范圍內(nèi)湍流較為強烈，流體對管壁的剪切作用較大，對其他位置的則相對較小。

消防水長時間處于靜止和封閉狀態(tài)，管道內(nèi)消防水中含氧量會隨腐蝕的發(fā)生而消耗，封閉和靜止的消防水對管道的腐蝕經(jīng)歷“腐蝕發(fā)生→氧氣消耗→腐蝕停滯”過程，一旦有新鮮的消防水進(jìn)入，這一過程將重復(fù)。消防水泵每月進(jìn)行一次試驗，每次時長2 h，隨著試驗的不斷進(jìn)行，管道內(nèi)有新鮮水流動，這給管道內(nèi)介質(zhì)帶來新鮮氧氣和其他離子，這會使管道內(nèi)腐蝕快速發(fā)展，并且形成管結(jié)瘤。

管結(jié)瘤示意圖如圖6所示，最外層是瘤皮，主要成分是Fe(OH)3，碳酸鹽、硅酸鹽和沉積在上面的碎石和泥沙。在瘤皮之下是瘤殼，瘤殼主要由Fe(OH)3和Fe3O4組成。瘤殼是內(nèi)部極低氧含量與外部較高氧含量的分界。Fe(OH)3是很好的導(dǎo)體，能促進(jìn)在腐蝕面生成的電子通過瘤殼與外部氧發(fā)生陰極反應(yīng)生成氫氧根離子。瘤殼內(nèi)是瘤核，瘤核下是金屬面，是發(fā)生腐蝕反應(yīng)的主要場所。管結(jié)瘤部位由于表面致密腐蝕產(chǎn)物的存在，介質(zhì)中的氧很難擴散到結(jié)瘤內(nèi)部，結(jié)瘤內(nèi)部氧含量非常低，而未結(jié)瘤部位氧的擴散較為容易，氧含量較高，形成氧濃差腐蝕，氧濃度較高的部位作為陰極得到保護(hù)，氧濃度較低的結(jié)瘤內(nèi)部作為陽極，腐蝕加速。

隨著腐蝕反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，管結(jié)瘤不斷長大，外層瘤皮變得疏松，而流體在經(jīng)過節(jié)流孔板后，受節(jié)流孔板的作用，壓力降低，流速增加，造成近孔板部位湍流強度增大，在流體的作用下較為疏松的瘤皮被沖至下游，剩下較為致密的部分則繼續(xù)發(fā)生管結(jié)瘤腐蝕，此區(qū)域內(nèi)未結(jié)瘤部位由于表面腐蝕產(chǎn)物被帶走，氧擴散加速，從而加速管結(jié)瘤腐蝕。

圖6 管結(jié)瘤結(jié)構(gòu)Fig. 6 Tuberculation structure

3 結(jié)論與建議

消防水管道材料的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織正常。消防水管道穿孔的主要原因為管結(jié)瘤腐蝕。孔板的存在造成下游管道近孔板區(qū)域流體湍流強度增大，把表面疏松的腐蝕產(chǎn)物帶走，留下致密的腐蝕產(chǎn)物，加速致密氧化物下的金屬腐蝕，最終導(dǎo)致穿孔。

節(jié)流孔板的存在增強了孔板下游管道在某一范圍內(nèi)流體的湍流強度，為管結(jié)瘤的形成提供了更為有利的條件，導(dǎo)致該段管道成為消防水管的腐蝕薄弱區(qū)域之一。就此，提出如下建議：對孔板下游管段進(jìn)行單獨制管，對其內(nèi)壁進(jìn)行防腐蝕處理，對管道內(nèi)壁進(jìn)行襯膠處理，更換后需要制定定期檢查計劃。