摘 要:某核電廠高壓加熱器系統疏水器在服役過程中發生局部減薄,采用宏觀觀察、化學成分 分析、金相檢驗、掃描電鏡分析及X射線衍射等方法對疏水器壁厚減薄原因進行了分析,并對疏水 器流道的流態進行了模擬計算。結果表明:高流速介質的沖刷減薄及流體加速腐蝕減薄是造成疏 水器減薄穿孔失效的直接原因;閥體內表面脫碳導致材料的硬度降低、抗沖刷能力和耐腐蝕性減 弱,從而加速了閥體的壁厚減薄。 

關鍵詞:疏水器;沖刷;腐蝕;流態模擬;減薄 

中圖分類號:TG178;TG115.2                   文獻標志碼:B                     文章編號:1001-4012(2023)08-0059-04

核電廠二回路汽水管線主要包括主蒸汽管線、 主給水管線、凝結水管線、疏水管線、抽汽管線、再熱 蒸汽管線等。管線中存在彎頭、三通、節流孔板、疏 水閥等結構形狀變化顯著且易發生湍流的部位。因 管道或管件壁厚減薄產生的安全事故在國內外核電 站多有發生[1]。這些管道或管件的減薄受管線的材 料、形狀、服役環境等因素的影響,往往會發生流動 加速腐蝕(FAC)、液滴沖擊、汽蝕等[2-5]。目前,對汽 水管道或管件的減薄已開展了較多研究,在設計、選 材、檢測、評估及老化管理等方面都取得了良好 成效。

高壓加熱器系統(AHP)疏水器的作用為及時 排走冷凝水,提升高壓加熱器進口蒸汽的品質,以及 提高高壓加熱器的加熱效率,一旦該系統發生泄漏, 核電廠高壓加熱器的運行就存在安全隱患,同時泄 漏的高溫、高壓水也可能對附近的人員造成嚴重傷 害。筆者以國內某核電廠服役10a,且發生明顯減 薄的 AHP疏水器為分析對象,采用一系列理化檢 驗方法分析了該疏水器發生減薄的原因,結果可為 AHP疏水器工程應用及服役壽命評估提供參考。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

壁厚減薄疏水器材料為 GP240GH 鋼,其宏觀 形貌如圖1所示。由圖1可知:疏水器內壁整體無 明顯腐蝕產物,減薄部位為疏水閥閥座出口的下游 位置,原始孔徑顯著擴大;減薄位置均為疏水器本 體,無焊縫等特殊結構;減薄部位表面凹凸不平,形 貌粗糙,部分位置存在溝槽狀的沖刷形貌,最薄處厚 度僅約為原始壁厚的1/5。

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀分析疏水器材料的化學成分,結 果如表1所示,由表1可知,其化學成分符合 EN 10213-1—1996《承壓鑄鋼件的交貨技術條件》的要求.

1.3 金相檢驗 

采用線切割方式截取疏水閥閥座出口減薄量小 及減薄量大部位,制作金相試樣,減薄量小部位截面 顯微組織形貌如圖2所示,減薄量大部位截面顯微 組織形貌如圖3所示。由圖2,3可知:疏水器基體 組織均為鐵素體+珠光體,呈等軸分布,未見明顯異 常;內表面存在明顯的全脫碳及半脫碳的脫碳層,脫 碳層深度約為300μm~400μm;未見明顯減薄部 位,脫碳層呈凹凸狀,存在明顯的尖角及沖刷狀形 貌,局部存在明顯氧化皮,為沖刷減薄處。減薄量大 部位未見脫碳層,內表面脫碳層已消失,基體鐵素體 +珠光體橫截面呈波浪狀,較為平滑,未見明顯的硬 化痕跡,呈典型流體加速腐蝕形貌。該形貌主要是 化學作用造成氧化膜的溶解減薄,而非受到較大外 力作用下形成的機械剝離,其微觀形貌較為平滑,無 明顯的液滴沖擊變形痕跡。

1.4 掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)分析

對疏水閥閥座出口減薄量小部位及減薄量大部 位分別取樣,采用SEM 和 XRD對試樣進行分析, 結果如圖4,5所示。由圖4可知,材料表面呈山丘狀形貌,底層氧化膜不平整,呈片狀分布,表面氧化 物疏松,大量的氧化物顆粒堆積在表面,氧化物主要 成分是Fe3O4和FeO。由圖5可知,材料表面呈不 規則形貌,表面附著有極少量氧化物顆粒,氧化物主 要成分為Fe,存在少量Fe2O3。

1.5 流體作用分析 

疏水器減薄處位于疏水器流道內壁,其結構比 較復雜,為明確減薄原因,利用計算流體力學(CFD) 方法進行分析模擬。提取疏水器內部流道區域,建 立幾何模型并劃分計算網格,疏水器內部流道三維 圖如圖6所示。根據疏水器設計參數,得到入口流 速為5m/s,作為邊界條件輸入仿真模型,開展數值 迭代計算。根據疏水流動特性,采用湍流模型,壓力 與速度耦合采用二階迎風格式,適當減小松弛因子, 保證計算收斂性。設置殘差為10-5,執行迭代計算,直至結果收斂。圖7為中分面(yz平面)處速度 分布云圖及速度矢量分布圖。對照現場實際沖刷情 況可知,流體在經過進口連接管后流入下方腔室(浮 球所在位置區域),再進入出口連接腔室,后經由反 Z型出口連接管從出口流出。在出口連接管位置, 由于兩個彎折位置較為接近,因此在兩個彎頭連接的直管區域容易產生沖刷效應。由圖7可知:由于 連續彎折的存在,兩個彎頭部位(紅圈處)流速相對 較快,流體沖刷作用明顯,長期累積后會在該位置產 生明顯的壁厚減薄現象,該現象與疏水器實際減薄 過程相符。 

2 綜合分析 

2.1 疏水器材料分析 

疏水器基體顯微組織為鐵素體+珠光體,內表 面存在明顯的全脫碳層及半脫碳層,脫碳層深度約 為300μm~400μm。脫碳層的存在導致閥體內表 面材料硬度偏低,抗沖刷能力較差,閥體材料耐腐蝕 性差;材料化學成分滿足標準要求,但 Cr元素含量 非常低,Cr元素含量越高對流體加速腐蝕的抑制作 用越強,Cr元素含量越低,材料越容易發生流體加 速腐蝕,而實際材料Cr元素質量分數僅為0.06%, 該材料為流體加速腐蝕敏感材料。

2.2 疏水器減薄原因分析 

疏水器內壁承載的是高溫、高壓飽和水和蒸汽 的汽液兩相流,疏水器內浮球將液態水和水蒸氣分 離,然后分別排走,出現減薄的部位在液態水的排出 口附近。根據流體模擬分析結果可知,在出口連接 管位置,流速相對較高,流體沖刷作用明顯。脫碳層 的存在加速了閥體的沖刷減薄進程。脫碳層為凹凸 狀,呈現明顯的尖角及沖刷狀形貌,局部存在明顯氧 化皮,表明疏水器內壁主要發生流體沖刷減薄。

疏水器內部介質由氨水和聯胺進行堿化處理, 呈弱堿性,含氧量較低。根據材料化學成分分析結 果可知,疏水器材料中Cr元素質量分數非常低,僅 為0.06%,為FAC敏感材料。針對減薄量大區域, 從腐蝕形貌來看,疏水器內部流道內表面整體附著 一層黑色氧化物,減薄部位呈馬蹄坑狀形貌,橫截面 較為平滑,無明顯的硬化痕跡。結合SEM 分析可 知,表面附著有極少量氧化物顆粒,且存在氧化膜溶 解現象,為典型FAC形貌。對比FAC發生條件和 實際工況(見表2)可知,實際條件和FAC發生條件 保持一致。FAC的敏感溫度為100~300 ℃,而實 際溫度為234℃,具備發生FAC的溫度條件;疏水 器內部呈弱堿性,溶液中含有一定量的 OH- ,有利 于Fe3O4 的形成,符合FAC發生條件;內部介質氧 元素含量很低,同時含有一定量的聯胺,使得介質處 于還原性較強的環境中,該條件下很難形成高價鐵氧化物,最容易形成的氧化物就是Fe3O4,經分析管 道內表面黑色氧化物主要成分為Fe3O4,與FAC產 物一致。結合減薄量大區域的宏觀及微觀形貌可 知,減薄量大區域主要發生 FAC減薄。根據 FAC 機理,流速越大,湍流越強烈,FAC速率越大。結合 CFD模擬結果可知,流道出口附近部位湍流非常劇 烈,提高了氧的擴散速率,流體邊界層內氧元素濃度 梯度較大,使得鐵元素的氧化反應得到加速,FAC 速率增加,使得該部位出現減薄,長期運行甚至可致 其穿孔。 

3 結論 

(1)疏水器發生減薄穿孔失效的直接原因是高 流速介質的沖刷減薄及流體加速腐蝕減薄。 

(2)閥體內表面脫碳導致材料硬度偏低,抗沖 刷能力較差,閥體材料的耐腐蝕性變差,間接加速了 閥體的沖刷減薄。 

(3)閥體內部介質流場的變化是由閥體結構引 起的,流速不均導致了閥體局部壁厚減薄。

參考文獻: 

[1] 束國剛,薛飛,遆文新,等.核電廠管道的流體加速腐 蝕及其老化管理[J].腐蝕與防護,2006,27(2):72- 76. 

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<文章來源 >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:59-62)>