核電機組二回路碳鋼給水管道節流孔板下游流動加速腐蝕數值模擬研究

黃麗 逯菲

摘 要：核電機組二回路的汽水輸運管道大量使用碳鋼，流動加速腐蝕（FAC）是影響管道安全性的重要因素之一。FAC過程中，管道內壁保護性氧化膜被流動工質加速分解和破壞，無法有效抑制管壁基體的持續 氧化。管道持續減薄，并可能在機組運行過程中突然破裂，嚴重影響機組安全經濟運行。在彎管、節流孔板和T形三通管等流場劇烈變化的奇點下游，最易發生FAC事故。工質流經這些管道部件時，流向的劇烈變化及二次流不穩定性發展等因素，致使FAC速率顯著增加。發現孔板和閥門的結構特性促使下游湍流靠近壁面，提高了壁面的傳質速率?；诖耍酒恼聦穗姍C組二回路碳鋼給水管道節流孔板下游流動加速腐蝕數值模擬進行研究，以供參考。

關鍵詞：核電機組二回路碳鋼;給水管道;節流孔板;下游流動;加速腐蝕數值模擬

引言

加氧處理具有有效抑制給水系統、高加疏水系統流動加速腐蝕、減緩鍋爐受熱面結垢速率、延長鍋爐化學清洗周期、抑制高加疏水調節閥堵塞等優勢，已成為超超臨界機組優選的水處理化學工況。目前加氧處理在國內外火力發電廠中得到了廣泛的應用。有關專家研究分析其根本原因為流動加速腐蝕產生的腐蝕產物沉積，腐蝕產物主要為Fe3O4。而解決以上問題的根本方法是采用加氧處理工藝，使金屬表面形成致密的Fe2O3及Fe3O4雙層保護膜，該保護膜對水汽系統管道及熱力設備具有鈍化保護作用。某機組實施給水、高加疏水加氧處理，為機組的安全運行提供重要保障。

1FAC的機理

美國電力研究院EPRI把流動加速腐蝕定義為：“碳鋼或低合金鋼表面正常氧化保護層溶解至水/汽水混合物流的過程”據統計1986年至1997年歐美各核電站發生多起管路系統和過流部件失效的事故，最終定性為因FAC引起的失效方式。FAC是造成核電站管路系統及其他過流部件頻繁失效的主要原因，尤以壓水堆核電站二回路管路系統為嚴重。FAC是一個化學腐蝕的過程，從動態的角度上理解，碳鋼表面覆蓋了一層Fe3O4保護膜，在遠離這層保護膜的區域的主流區的流速較高，而靠近氧化膜的流體邊界層的流速較低，邊界層中已經溶解的鐵不斷地向主流區中遷移，水中溶解的鐵處于不飽和狀態，氧化膜中的鐵就會溶解到未飽和的邊界層中，從而使Fe3O4氧化膜以一定的速率溶解，而高速流動的水又將遷移于水中溶解鐵帶走，從而產生了碳鋼表面的不斷腐蝕。

2FAC的影響因素

2.1蒸汽含汽率對FAC的影響

蒸汽含汽率對FAC的影響可以通過雷諾數的計算公式反應出來，流體為汽液兩相流時，雷諾數的計算公式為：Re= （1）

流速的計算公式為：

當流體為單相液體流時，Q為工質流量，χ為蒸汽的質量，α為蒸汽的體積分數。而流體是汽液兩相流，且蒸汽含汽率較小時，由于α>χ，此時的Re比單相液體流的Re大，說明紊流程度較大，FAC腐蝕速率也會較大。而蒸汽含汽率進一步增大時，雖然Re會增大，但是由于環狀流（大多數的液體以膜狀貼著管壁流動，而氣體夾帶著霧沫在管道中心高速運動）的形成，管壁表面的邊界層更加穩定，物質擴散阻力增加，FAC速率降低。當流體是單相蒸汽流時，α=1，此時電化學腐蝕不發生，FAC幾乎不存在。所以隨著蒸汽含汽率的增大，FAC的速率是先增大后減小。

2.2溶氧量對FAC的影響

在純凈度極高的給水中，溶解氧會產生鈍化作用。當給水采用加氧處理（OT）時，充足的氧量能讓金屬表面形成穩定的Fe3O4內伸層。且通過內伸層的微孔通道到達表面的Fe2+，一部分直接形成穩定的Fe3O4外延層;另一部分氧也會進入到Fe3O4孔隙與其中的F2+反應得到Fe2O3，使微孔變小或者封閉，Fe2+擴散的速率隨之減小。所以，OT處理最終會使鋼表面擁有致密穩定的“雙層保護膜”，流動加速腐蝕得到有效抑制。通過對某電廠機組實測數據的分析，得到Fe2+濃度隨溶解氧含量的變化情況，Fe2+的濃度隨溶解氧含量增加而減小，FAC速率減小。溶解氧含量大于45μg/L，Fe2+的濃度將小于0.09μg/L，說明此時FAC得到了有效抑制。

3計算結果與分析

3.1溶解度

水化學條件選取核電機組二回路管道運行的溫度壓力范圍，結合FAC高發的溫度范圍。具體取值如下：溫度為150℃，壓力為0.95MPa，常溫條件（25℃）下流體的pH為9.4，150℃條件下流體的pH為6.86，H2濃度為1.5×10-3mol/L。

3.2FAC速率

取入口流速為0.8m/s、2.0m/s和5.0m/s，分別計算出倒角角度為15°、30°、45°、60°和90°5種孔板下游的流場分布，并計算出Sh。根據Sh與傳質系數的關系，計算出傳質系數。當流體入口流速一定時，倒角角度為45°能減緩孔板對流場帶來的變化，下游流場的變化較為平穩，孔口的流體能更好地和周圍流體發生動量交換，因此下游的動量交換減小，傳質系數減小。當倒角角度小于或者大于45°時，孔板下游流場變化增大，孔口的動量交換減小，下游的動量交換加劇，因此下游傳質系數增加。倒角角度的改變對傳質系數峰值位置的影響不大。隨著倒角角度的增大，傳質系數峰值位置遠離孔板。

4建議分析

（1）在機組加氧處理穩定運行中，調整除氧器連續排氣門至微開狀態（開度30%），一方面使除氧器得到更有效保護，另一方面可減少除氧器的排汽及熱量損失;同時關閉高壓加熱器連續排汽門，可以避免疏水中加入的氧氣因排汽消失以及氨濃度因排汽而減少，以有利于抑制高加疏水系統的流動加速腐蝕。（2）鑒于加氧處理能夠有效抑制流動加速腐蝕、延長精處理混床周期制水量、減緩鍋爐受熱面結垢速率、抑制高加疏水調節閥堵塞等優點，建議同類機組鍋爐水處理化學工況采用加氧處理。（3）已進行給水加氧處理的機組，建議改造為全保護加氧處理工藝，以實現對機組熱力設備的全面保護，保證機組安全穩定運行。

結束語

防止核電站常規島設備和管道FAC的發生是關系到核電站長期安全可靠運行的重要問題。要結合核電廠項目的設計情況，在工程設計中采取有效的措施來應對流動加速腐蝕：1）在容易發生FAC的管道系統中采用含有一定鉻元素的低合金鋼或控制最低鉻含量的碳鋼材料。2）嚴格控制相關管線中的介質流速，綜合考慮運行的安全性和經濟性，合理地進行管徑和壁厚的選取。

參考文獻

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