文丘里管喉道腐蝕原因分析及其影響

李智鵬

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

文丘里管屬于差壓式流量計(jì)的一種，利用流體流經(jīng)喉道產(chǎn)生的前后壓差進(jìn)行流量測(cè)量，結(jié)合壓力測(cè)量?jī)x表廣泛應(yīng)用于大管徑流體控制與計(jì)量[1]。傳統(tǒng)文丘里管在組成上包括上下游直管段、圓錐收斂部、喉道、圓錐擴(kuò)散段及其壓力變送器等部分。盡管隨著科技的發(fā)展，流量測(cè)量?jī)x表的種類發(fā)展日新月異，先后出現(xiàn)了超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等新型流量測(cè)量裝置，然而文丘里管依然以其性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、耐高溫高壓、采購成本低等優(yōu)點(diǎn)而在發(fā)電廠、石油化工、市政污水處理、供氣供暖等行業(yè)的管道流量測(cè)量中占據(jù)著非常重要的位置。在某核電廠，主給水系統(tǒng)的流量測(cè)量依然采用文丘里管這種經(jīng)典的差壓測(cè)量方式[2]。

主給水系統(tǒng)是電廠二回路系統(tǒng)的重要組成部分。某核電廠主給水系統(tǒng)的文丘里管自投入運(yùn)行以來，累計(jì)運(yùn)行年限接近27 a，出現(xiàn)了主給水的流量測(cè)量值逐年下降的趨勢(shì)。由于主給水的作用是其被加熱成蒸汽后，推動(dòng)汽輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所以主給水流量大小直接關(guān)系到核電機(jī)組的發(fā)電能力。在核電廠額定發(fā)電功率未變的情況下所需主給水的流量逐年降低，意味著發(fā)電機(jī)組的設(shè)備工作效率在逐年提高，這與實(shí)際情況明顯不符。為了探明主給水系統(tǒng)文丘里管指示偏低的根本原因，需要對(duì)文丘里管進(jìn)行拆解，并對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行檢查。

1 問題描述

核電廠主給水系統(tǒng)用來向蒸汽發(fā)生器輸送給水。供水量由給水流量控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持蒸發(fā)器二次側(cè)水位高度在一個(gè)隨汽輪機(jī)負(fù)荷變化所預(yù)定的基準(zhǔn)值附近波動(dòng)。主給水系統(tǒng)主要由主給水快關(guān)調(diào)節(jié)閥、主給水隔離閥、文丘里管流量測(cè)量裝置、溫度儀表、壓力儀表等設(shè)備組成，除文丘里管外，主給水系統(tǒng)無其他備用流量測(cè)量?jī)x表。主給水系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，主給水文丘里管(設(shè)備編號(hào)FE4503A)的主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 主給水文丘里管主要運(yùn)行參數(shù)

主給水文丘里管配合壓力儀表測(cè)量主給水流量。文丘里管自投入運(yùn)行近27年來，因文丘里管的安裝方式為焊接且無內(nèi)部檢查窗，一直無法對(duì)文丘里管進(jìn)行檢查維修和流量標(biāo)定。根據(jù)電站監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示，通過文丘里管測(cè)得的主給水流量值存在逐年下降的趨勢(shì)，以A列主給水系統(tǒng)為例，其流量從C15發(fā)電周期的約910 t/h逐漸下降到C17發(fā)電周期的約890 t/h，如圖2所示。

2 設(shè)備拆解及內(nèi)部組件檢查

為徹底探明主給水文丘里管指示偏低的根本原因，于2018年核電廠大修期間對(duì)主給水系統(tǒng)文丘里管進(jìn)行了切割、拆解。根據(jù)拆解的結(jié)果來看，文丘里管的上下游直管段、圓錐收斂段、圓錐擴(kuò)散段等組件形態(tài)完好，無明顯變形、腐蝕、裂紋等缺陷，但是文丘里管的喉道直徑存在明顯的擴(kuò)大現(xiàn)象，輪廓呈現(xiàn)出不規(guī)則的橢圓形，輪廓最大直徑達(dá)到φ146 mm，超過設(shè)備原始出廠設(shè)計(jì)值φ144.5 mm±0.2 mm，如圖3所示。文丘里管喉道表面覆蓋一層黑色的鐵磁性氧化物，并有表面凹坑，具有明顯的流速加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion,簡(jiǎn)稱FAC)特征，如圖4所示。

3 文丘里管FAC成因

3.1 基本概念

FAC是導(dǎo)致金屬管壁減薄的最主要原因。世界上許多國家都對(duì)FAC的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，取得了顯著的成果。碳鋼和低合金鋼在流動(dòng)的水中或濕蒸汽條件下表面會(huì)形成鐵磁性氧化膜。常溫、低流速下這層氧化膜較為穩(wěn)定致密，會(huì)保持金屬在系統(tǒng)介質(zhì)中的腐蝕速率在一個(gè)較低的水平，阻礙氧化的進(jìn)一步加深，對(duì)金屬起到保護(hù)作用。但是在較高的流速環(huán)境下，鐵磁性氧化膜會(huì)逐漸溶解，導(dǎo)致管道壁厚的減薄[3]。鐵磁性氧化物的溶解可用圖5來說明。文丘里管喉道表面附著一層鐵磁性氧化物，靠近喉道表面區(qū)域(近表面區(qū)域)的給水因?yàn)楸砻婺Σ亮^大，流速較慢，但是遠(yuǎn)離喉道表面區(qū)域的介質(zhì)流速非常快，因此即便近表面區(qū)域的擴(kuò)散Fe2+濃度已經(jīng)達(dá)到飽和，也會(huì)不斷被遠(yuǎn)表面區(qū)域的給水所稀釋，由此導(dǎo)致的鐵磁性氧化物的溶解是隨著機(jī)組運(yùn)行而持續(xù)不斷的過程。此外，部分溶解后的鐵磁性氧化物為疏松多孔結(jié)構(gòu)，失去了對(duì)文丘里管基體的保護(hù)作用，流體介質(zhì)可以深入接觸喉道表面金屬基體，使得喉道表面的金屬并未因氧化層的覆蓋而減弱參與化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，仍會(huì)持續(xù)不斷的生成氧化物并伴隨氧化物的溶解，導(dǎo)致金屬基體的消耗和喉道尺寸不斷擴(kuò)大。

從微觀化學(xué)角度考慮，當(dāng)高溫的給水以較大流速?zèng)_擊喉道表面時(shí)，氣-液兩相高溫環(huán)境下會(huì)伴隨如下界面反應(yīng)：

3Fe+4H2O(蒸汽)=Fe3O4+4H2↑

2Fe+O2=2FeO

其中,FeO又會(huì)氧化成Fe2O3，并與Fe3O4混合成鐵磁性顆粒，隨主給水文丘里管運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，逐漸產(chǎn)生并累積覆蓋于喉道表面。

由于主給水文丘里管的工作環(huán)境為高溫高壓(約220 ℃，7 MPa)、大流量(約1 100 t/h)的汽水環(huán)境，文丘里管喉道材質(zhì)不含鉻元素，滿足FAC發(fā)生的客觀條件，使得喉道容易遭受FAC的影響。當(dāng)鐵磁性氧化膜生成并附著在文丘里管喉道表面的速度與其溶解速度相等時(shí)，鐵磁性氧化膜的總體厚度趨于穩(wěn)定。因此，F(xiàn)AC的主要機(jī)理在于高溫高壓下鐵磁性氧化物的溶解作用，而不僅僅是流體介質(zhì)對(duì)于氧化膜的機(jī)械破碎。

文丘里管的FAC的發(fā)生與介質(zhì)的化學(xué)成分、工作溫度、介質(zhì)流速以及設(shè)備制造過程中的選材控制、幾何形貌密切相關(guān)。

3.2 介質(zhì)化學(xué)成分的影響

電站二回路介質(zhì)的酸堿度、雜質(zhì)元素含量直接影響FAC發(fā)生的速率。研究表明，提高系統(tǒng)介質(zhì)的pH值可以有效抑制FAC的發(fā)生過程，當(dāng)pH值達(dá)到9時(shí)腐蝕過程即可顯著被抑制，當(dāng)pH值接近10時(shí)，F(xiàn)AC最為輕微。目前，國內(nèi)核電、火電廠通常采用AVT水化學(xué)技術(shù)，利用加氨的方法來將給水的pH值提高到9左右。但該技術(shù)的適用性較差，對(duì)水的雜質(zhì)元素含量十分敏感，主給水系統(tǒng)的高溫環(huán)境下容易因?yàn)閾]發(fā)等一系列因素最終導(dǎo)致給水的pH值逐漸下降，降低了抑制主給水系統(tǒng)FAC的作用。此外，文丘里管上游的大口徑泵、閥類設(shè)備眾多，相關(guān)的泵、閥設(shè)備維修作業(yè)過程中可能因?yàn)闈?rùn)滑劑、清洗劑、防腐劑等化學(xué)品的使用不當(dāng)，向系統(tǒng)中引入Cl-等雜質(zhì)元素。Cl-的穿透能力強(qiáng)，能夠穿透致密金屬氧化膜上極小的孔洞并與金屬基體反應(yīng)，形成可溶性的化合物，導(dǎo)致致密氧化膜與基體的附著能力下降，使金屬對(duì)FAC更加敏感。

3.3 制造過程中合金元素的影響

實(shí)踐表明，為了提高流體機(jī)械的抗FAC能力，通常要提高機(jī)械設(shè)備鉻合金元素的含量。法國的核電廠曾出現(xiàn)過因介質(zhì)長(zhǎng)期沖蝕導(dǎo)致的主給水文丘里管穿孔的事件。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文丘里管穿孔的根本原因在于制造收縮段時(shí)所用合金鋼的含鉻量偏低而導(dǎo)致其抗沖蝕能力不足。后續(xù)選材過程中采用了較高含鉻量的合金鋼材料重新制造文丘里管并進(jìn)行更換[4]。研究表明，鉻合金元素主要通過影響氧化膜的種類、氧化膜的溶解度從而影響FAC的形成過程。當(dāng)材料中鉻元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到0.5%時(shí)，相同工況下FAC速率會(huì)降到碳鋼FAC速率的10%，這主要是因?yàn)殡S著碳鋼中鉻元素的加入，部件表面的氧化物由Fe3O4轉(zhuǎn)變?yōu)镕eCr2O4。FeCr2O4強(qiáng)度極高且穩(wěn)定致密，對(duì)基體能起到很好的保護(hù)鈍化作用，具有較好的抗FAC的能力。本次文丘里管的喉道組件由20G鋼拼焊而成，其主要合金元素的種類及含量如表2所示，不含有鉻合金元素，文丘里管的喉道表面只能形成Fe3O4氧化物薄膜，它在高溫高流量的主給水系統(tǒng)中很容易溶解，因而不具有抗FAC的性能。

表2 文丘里管喉道材質(zhì)組分

3.4 溫度的影響

根據(jù)印度核電廠的研究數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)AC發(fā)生的溫度大約在100 ℃～260 ℃之間[5]。主給水文丘里管的運(yùn)行溫度區(qū)間為220 ℃左右，恰好處在FAC敏感溫度區(qū)間范圍內(nèi)。無論是在單相還是雙相水環(huán)境中，不同pH值環(huán)境下的FAC速率隨溫度的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出腐蝕速率隨溫度先升高后下降的趨勢(shì)，在150 ℃左右腐蝕速率達(dá)到最大。為減緩FAC腐蝕的發(fā)生，電站運(yùn)行期間應(yīng)盡量減少升降功率階段主給水系統(tǒng)在150 ℃的溫度范圍停留的時(shí)間。

3.5 設(shè)備幾何形貌的影響

文丘里管的喉道位于上游收縮段與下游擴(kuò)散段的中間，存在幾何結(jié)構(gòu)上的突變。依據(jù)水力學(xué)連續(xù)性方程，Q=VA，流量=斷面平均流速×斷面截面積。文丘里管內(nèi)各管段流量一定，流速和面積成反比，因此喉道處的流速存在激增的情況，湍流加劇。介質(zhì)的流速越高，文丘里管喉道的局部擾動(dòng)就越大，處于離子態(tài)的鐵元素發(fā)生擴(kuò)散越容易，因此FAC的速率越高。較大的流速會(huì)使文丘里管喉道表面與介質(zhì)接觸面的層流層變薄，有利于Fe2+向介質(zhì)中擴(kuò)散，此外還會(huì)導(dǎo)致水中的溶解氧向金屬基體擴(kuò)散，加速氧化腐蝕的進(jìn)程。此外水的機(jī)械作用也更加顯著，破碎致密氧化物薄膜，使氧化向金屬基體深層進(jìn)行，導(dǎo)致FAC進(jìn)一步擴(kuò)展。

由于文丘里管喉道材質(zhì)為碳鋼20G，不含有鉻、鉬、銅等有助于抑制FAC的合金元素，在近27年的運(yùn)行周期中FAC的累積效應(yīng)足以使文丘里管喉道尺寸發(fā)生明顯擴(kuò)大，影響到流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。喉道尺寸變化對(duì)于文丘里管流量測(cè)量的精度有較大的影響。

4 喉道尺寸對(duì)流量測(cè)量影響的數(shù)學(xué)分析

因?yàn)棣褳槌?shù)，p1，p2由壓力儀表直接讀取，假設(shè)該時(shí)刻的壓力表讀數(shù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確，所以有：

因?yàn)槲那鹄锕苋肟诙沃睆轿醋儯許1與出廠設(shè)計(jì)值一致，視S1為常數(shù)。

其中，函數(shù)y為關(guān)于x的增函數(shù)，同理主給水流量Q為關(guān)于喉道面積S2的增函數(shù)。

由于FAC腐蝕的影響，文丘里管喉道面積實(shí)際已經(jīng)擴(kuò)大，即核電站主給水流量實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)中的S2輸入值(為出廠設(shè)計(jì)值)同實(shí)際值相比偏小，所以主給水流量Q同實(shí)際值相比也偏小，呈現(xiàn)出主給水流量指示偏低的現(xiàn)象。

5 FAC控制措施

主給水文丘里管指示偏低的根本原因是FAC腐蝕導(dǎo)致喉道通道面積的擴(kuò)大。文丘里管喉道FAC腐蝕的預(yù)防要從設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)備服役環(huán)境兩方面綜合考慮，主要包括材料、水化學(xué)環(huán)境、系統(tǒng)溫度和壓力等幾個(gè)方面。鉻、鉬等合金元素可以在金屬表面生成致密的氧化膜，阻礙Fe2+溶解，起到保護(hù)作用。當(dāng)鉻的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過0.1%時(shí)即可顯著削弱FAC腐蝕的影響。此外，控制二回路水質(zhì)的pH值在一個(gè)較高的范圍內(nèi)，可以抑制H+參與鐵磁性氧化物的中間生成過程。由于主給水系統(tǒng)的溫度和壓力由反應(yīng)堆功率和汽輪機(jī)出力等因素綜合決定，無法做出變更，只能從文丘里管喉道材質(zhì)選擇和核電廠二回路水化學(xué)控制方面入手。目前核電廠二回路通過加入氨、聯(lián)氨、乙醇胺等堿性物質(zhì)來提高系統(tǒng)介質(zhì)pH值。管道系統(tǒng)的布局及其配置也是FAC腐蝕的一個(gè)重要促成因素，對(duì)于在運(yùn)行核電廠，改變現(xiàn)有管道布局是困難的，但可以在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量選擇收縮段較長(zhǎng)的文丘里管，以減少湍流、直接管壁沖擊、流體渦流等造成的FAC加劇。核電廠于OT118停堆大修期間，更換了新的文丘里管，其喉道材質(zhì)由碳鋼A42CP替換為13CrMo4-5(Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%～1.15%)，通過大幅度提高Cr的含量來提高喉道的耐FAC腐蝕能力，經(jīng)過近4年的運(yùn)行驗(yàn)證，未再發(fā)現(xiàn)FAC腐蝕繼續(xù)發(fā)生的顯著跡象。

6 結(jié)語

文丘里管作為一種差壓式流量計(jì)，在核電廠的主給水流量測(cè)量中有著重要的應(yīng)用。主給水文丘里管長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，F(xiàn)AC腐蝕會(huì)導(dǎo)致其喉道尺寸逐漸擴(kuò)大，由于文丘里管流量測(cè)量值與喉道面積正相關(guān)，因此呈現(xiàn)出流量測(cè)量結(jié)果偏低的現(xiàn)象。可以通過加入氨類等堿性物質(zhì)提高核電廠二回路水質(zhì)的pH值，并在文丘里管喉道制造過程中選用Cr含量較高的合金，合理選擇文丘里管的結(jié)構(gòu)等措施來增強(qiáng)耐FAC的能力，提高文丘里管的設(shè)備可靠性。