分享：核电厂疏水器壁厚减薄原因

摘 要:某核电厂高压加热器系统疏水器在服役过程中发生局部减薄,采用宏观观察、化学成分 分析、金相检验、扫描电镜分析及X射线衍射等方法对疏水器壁厚减薄原因进行了分析,并对疏水 器流道的流态进行了模拟计算。结果表明:高流速介质的冲刷减薄及流体加速腐蚀减薄是造成疏 水器减薄穿孔失效的直接原因;阀体内表面脱碳导致材料的硬度降低、抗冲刷能力和耐腐蚀性减 弱,从而加速了阀体的壁厚减薄。 

关键词:疏水器;冲刷;腐蚀;流态模拟;减薄 

中图分类号:TG178;TG115.2                   文献标志码:B                     文章编号:1001-4012(2023)08-0059-04

核电厂二回路汽水管线主要包括主蒸汽管线、 主给水管线、凝结水管线、疏水管线、抽汽管线、再热 蒸汽管线等。管线中存在弯头、三通、节流孔板、疏 水阀等结构形状变化显著且易发生湍流的部位。因 管道或管件壁厚减薄产生的安全事故在国内外核电 站多有发生[1]。这些管道或管件的减薄受管线的材 料、形状、服役环境等因素的影响,往往会发生流动 加速腐蚀(FAC)、液滴冲击、汽蚀等[2-5]。目前,对汽 水管道或管件的减薄已开展了较多研究,在设计、选 材、检测、评估及老化管理等方面都取得了良好 成效。

高压加热器系统(AHP)疏水器的作用为及时 排走冷凝水,提升高压加热器进口蒸汽的品质,以及 提高高压加热器的加热效率,一旦该系统发生泄漏, 核电厂高压加热器的运行就存在安全隐患,同时泄 漏的高温、高压水也可能对附近的人员造成严重伤 害。笔者以国内某核电厂服役10a,且发生明显减 薄的 AHP疏水器为分析对象,采用一系列理化检 验方法分析了该疏水器发生减薄的原因,结果可为 AHP疏水器工程应用及服役寿命评估提供参考。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

壁厚减薄疏水器材料为 GP240GH 钢,其宏观 形貌如图1所示。由图1可知:疏水器内壁整体无 明显腐蚀产物,减薄部位为疏水阀阀座出口的下游 位置,原始孔径显著扩大;减薄位置均为疏水器本 体,无焊缝等特殊结构;减薄部位表面凹凸不平,形 貌粗糙,部分位置存在沟槽状的冲刷形貌,最薄处厚 度仅约为原始壁厚的1/5。

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪分析疏水器材料的化学成分,结 果如表1所示,由表1可知,其化学成分符合 EN 10213-1—1996《承压铸钢件的交货技术条件》的要求.

1.3 金相检验 

采用线切割方式截取疏水阀阀座出口减薄量小 及减薄量大部位,制作金相试样,减薄量小部位截面 显微组织形貌如图2所示,减薄量大部位截面显微 组织形貌如图3所示。由图2,3可知:疏水器基体 组织均为铁素体+珠光体,呈等轴分布,未见明显异 常;内表面存在明显的全脱碳及半脱碳的脱碳层,脱 碳层深度约为300μm~400μm;未见明显减薄部 位,脱碳层呈凹凸状,存在明显的尖角及冲刷状形 貌,局部存在明显氧化皮,为冲刷减薄处。减薄量大 部位未见脱碳层,内表面脱碳层已消失,基体铁素体 +珠光体横截面呈波浪状,较为平滑,未见明显的硬 化痕迹,呈典型流体加速腐蚀形貌。该形貌主要是 化学作用造成氧化膜的溶解减薄,而非受到较大外 力作用下形成的机械剥离,其微观形貌较为平滑,无 明显的液滴冲击变形痕迹。

1.4 扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析

对疏水阀阀座出口减薄量小部位及减薄量大部 位分别取样,采用SEM 和 XRD对试样进行分析, 结果如图4,5所示。由图4可知,材料表面呈山丘状形貌,底层氧化膜不平整,呈片状分布,表面氧化 物疏松,大量的氧化物颗粒堆积在表面,氧化物主要 成分是Fe3O4和FeO。由图5可知,材料表面呈不 规则形貌,表面附着有极少量氧化物颗粒,氧化物主 要成分为Fe,存在少量Fe2O3。

1.5 流体作用分析 

疏水器减薄处位于疏水器流道内壁,其结构比 较复杂,为明确减薄原因,利用计算流体力学(CFD) 方法进行分析模拟。提取疏水器内部流道区域,建 立几何模型并划分计算网格,疏水器内部流道三维 图如图6所示。根据疏水器设计参数,得到入口流 速为5m/s,作为边界条件输入仿真模型,开展数值 迭代计算。根据疏水流动特性,采用湍流模型,压力 与速度耦合采用二阶迎风格式,适当减小松弛因子, 保证计算收敛性。设置残差为10-5,执行迭代计算,直至结果收敛。图7为中分面(yz平面)处速度 分布云图及速度矢量分布图。对照现场实际冲刷情 况可知,流体在经过进口连接管后流入下方腔室(浮 球所在位置区域),再进入出口连接腔室,后经由反 Z型出口连接管从出口流出。在出口连接管位置, 由于两个弯折位置较为接近,因此在两个弯头连接的直管区域容易产生冲刷效应。由图7可知:由于 连续弯折的存在,两个弯头部位(红圈处)流速相对 较快,流体冲刷作用明显,长期累积后会在该位置产 生明显的壁厚减薄现象,该现象与疏水器实际减薄 过程相符。 

2 综合分析 

2.1 疏水器材料分析 

疏水器基体显微组织为铁素体+珠光体,内表 面存在明显的全脱碳层及半脱碳层,脱碳层深度约 为300μm~400μm。脱碳层的存在导致阀体内表 面材料硬度偏低,抗冲刷能力较差,阀体材料耐腐蚀 性差;材料化学成分满足标准要求,但 Cr元素含量 非常低,Cr元素含量越高对流体加速腐蚀的抑制作 用越强,Cr元素含量越低,材料越容易发生流体加 速腐蚀,而实际材料Cr元素质量分数仅为0.06%, 该材料为流体加速腐蚀敏感材料。

2.2 疏水器减薄原因分析 

疏水器内壁承载的是高温、高压饱和水和蒸汽 的汽液两相流,疏水器内浮球将液态水和水蒸气分 离,然后分别排走,出现减薄的部位在液态水的排出 口附近。根据流体模拟分析结果可知,在出口连接 管位置,流速相对较高,流体冲刷作用明显。脱碳层 的存在加速了阀体的冲刷减薄进程。脱碳层为凹凸 状,呈现明显的尖角及冲刷状形貌,局部存在明显氧 化皮,表明疏水器内壁主要发生流体冲刷减薄。

疏水器内部介质由氨水和联胺进行碱化处理, 呈弱碱性,含氧量较低。根据材料化学成分分析结 果可知,疏水器材料中Cr元素质量分数非常低,仅 为0.06%,为FAC敏感材料。针对减薄量大区域, 从腐蚀形貌来看,疏水器内部流道内表面整体附着 一层黑色氧化物,减薄部位呈马蹄坑状形貌,横截面 较为平滑,无明显的硬化痕迹。结合SEM 分析可 知,表面附着有极少量氧化物颗粒,且存在氧化膜溶 解现象,为典型FAC形貌。对比FAC发生条件和 实际工况(见表2)可知,实际条件和FAC发生条件 保持一致。FAC的敏感温度为100~300 ℃,而实 际温度为234℃,具备发生FAC的温度条件;疏水 器内部呈弱碱性,溶液中含有一定量的 OH- ,有利 于Fe3O4 的形成,符合FAC发生条件;内部介质氧 元素含量很低,同时含有一定量的联胺,使得介质处 于还原性较强的环境中,该条件下很难形成高价铁氧化物,最容易形成的氧化物就是Fe3O4,经分析管 道内表面黑色氧化物主要成分为Fe3O4,与FAC产 物一致。结合减薄量大区域的宏观及微观形貌可 知,减薄量大区域主要发生 FAC减薄。根据 FAC 机理,流速越大,湍流越强烈,FAC速率越大。结合 CFD模拟结果可知,流道出口附近部位湍流非常剧 烈,提高了氧的扩散速率,流体边界层内氧元素浓度 梯度较大,使得铁元素的氧化反应得到加速,FAC 速率增加,使得该部位出现减薄,长期运行甚至可致 其穿孔。 

3 结论 

(1)疏水器发生减薄穿孔失效的直接原因是高 流速介质的冲刷减薄及流体加速腐蚀减薄。 

(2)阀体内表面脱碳导致材料硬度偏低,抗冲 刷能力较差,阀体材料的耐腐蚀性变差,间接加速了 阀体的冲刷减薄。 

(3)阀体内部介质流场的变化是由阀体结构引 起的,流速不均导致了阀体局部壁厚减薄。

参考文献: 

[1] 束国刚,薛飞,遆文新,等.核电厂管道的流体加速腐 蚀及其老化管理[J].腐蚀与防护,2006,27(2):72- 76. 

[2] 钟志民,郑会,李杰.核电厂二回路汽水管道局部减薄 管理的挑战和应对[J].腐蚀与防护,2020,41(9):39- 44. 

[3] 申罡.核电厂二回路冷却系统的冲蚀管理[J].腐蚀与 防护,2018,39(7):535-538. 

[4] NEˇSIC ' S.Usingcomputationalfluid dynamicsin combatingerosion-corrosion[J].ChemicalEngineeringScience,2006,61(12):4086-4097. 

[5] 张玉波,骆红云,钟群鹏.国内外失效评定曲线(FAC) 的发展以及现状[J].理化检验(物理分册),2005,41 (增刊1):50-54. 

<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:59-62)>