分享：某核电厂蒸汽发生器排污净化系统泵出口管道泄漏原因

国内某机组蒸汽发生器排污净化系统排污水泵与泵出口逆止阀之间的管道发生泄漏。蒸汽发生器排污系统用于去除蒸汽发生器二次侧的腐蚀产物和溶解杂质,保持二回路的水化学工况指标。如果管道发生泄漏,将造成二回路介质流失,影响机组安全稳定运行。同时,介质泄漏还会造成严重的人员伤害。 

蒸汽发生器排污净化系统两台排污水泵保持“一运行一备用”状态,每月轮流切换运行。泄漏部位管道材质为俄罗斯标准ТУ 14-3-190-82《锅炉装置和管道用无缝钢管技术条件》中的20号碳钢,内部介质为经过除盐的蒸汽发生器排污水。泄漏发生后,技术人员对另一台排污水泵出口相同位置（包括泵出口法兰后变径管、逆止阀前的直管段及逆止阀后至下游阀前直管段）进行了超声波测厚。由泄漏情况及测厚数据可知,两段变径管及相连直管段均发生了管壁减薄,且变径管后直管段管壁减薄更严重。 

笔者通过一系列的理化检验、分析及流场模拟,对该管道的泄漏原因进行了分析,并提出了相应的改进建议,以期避免此类问题的再次发生。 

1.   理化检验与结果

1.1   宏观观察

泄漏管道外部宏观形貌如图1所示,其中直管段左侧支管为压力表管线,右侧支管为泵轴封冷却管线。泄漏位置靠近轴封冷却管线侧。变径管、直管段及直管段两支管内壁宏观形貌如图2所示。由图2可见：变径管及直管段管壁发生了减薄（扇贝型,局部为马蹄坑型）,靠近泵轴封冷却管线侧减薄最严重,内壁变得较为平滑,已无明显的腐蚀坑痕迹。泵轴封冷却管线支管发生了明显减薄（内壁上表面呈波纹状,下表面呈扇贝型）；压力表管线支管未见明显减薄（内壁呈黑色,靠近焊缝处为扇贝型）。 

图  1  泄漏管道外部宏观形貌

Figure  1.  External macro-morphology of the leaking pipe

图  2  泄漏管道内壁宏观形貌

Figure  2.  Macroscopic appearance of inner wall of leaking pipe: (a) reducer section; (b) the straight section; (c) inner wall of branch pipe(pressure gauge line side); (d) inner wall of branch pipe(pump shaft seal cooling line side)

1.2   化学成分分析

对减薄区域进行化学成分分析,由表1可见,其化学成分满足ГОСТ 1050-88《优质碳素结构钢》标准对20号钢的要求。 

1.3   金相检验

在减薄区域直管段截取金相试样,对其进行显微组织观察和非金属夹杂物检验。由图3（a）可见,其非金属夹杂物含量满足GB 24512.1-2009《核电站用无缝钢管第1部分：碳素钢无缝钢管》要求。由图3（b）可见,其显微组织为铁素体+珠光体,组织未见异常。管道内壁横截面呈波浪状轮廓,无加工硬化特征,且未发现微裂纹,内壁局部区域存在腐蚀坑。 

图  3  泄漏管道减薄区域直管段的非金属夹杂物和显微组织

Figure  3.  Microstructure of non-metallic inclusions (a) and microstructure (b) of straight section in the thinned region of leaking pip

1.4   硬度测试

在直管段减薄严重区域切取一个横向试样,对其进行硬度测试,由表2可见,其硬度符合ТУ14-3-190-82标准对20号钢的要求。 

1.5   扫描电镜观察

采用扫描电镜（SEM）观察直管段泄漏区域附近和腐蚀坑显著区域内壁形貌。由图4可见,微观下直管段内表面呈典型的腔室特征,腐蚀坑严重区域腔室特征较明显,泄漏区域附近由于减薄严重,腔室边缘被磨平。 

图  4  泄漏管道直管段内表面腐蚀坑显著区域及泄漏区域附近的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology near the significant area of corrosion pit (a) and leakage area (b) of the inner surface of straight section of leaking pipe

1.6   能谱及X射线衍射分析

对管道内壁腐蚀坑显著区域进行能谱（EDS）分析。由表3可见,管道内壁主要为铁的氧化物（Fe元素与O元素的总质量分数占80%以上）。对减薄区域内壁进行X射线衍射（XRD）分析。由图5可知,减薄管件内壁除了基体Fe外,主要为Fe3O4,以及少量Fe2O3。 

图  5  泄漏管道直管段减薄区域内壁XRD测试结果

Figure  5.  XRD test results of the inner wall of the thinned area of straight section of leaking pipe

2.   讨论

由上述试验结果可知,缺陷部位直管段的化学成分、硬度、显微组织及非金属夹杂物含量均无异常。结合管道的服役环境、减薄位置及其内表面宏观形貌特征,在排除其他类型腐蚀的情况下,重点分析气蚀和流动加速腐蚀（FAC）的影响,下面将分别予以讨论。 

2.1   气蚀

汽水管道中的气蚀主要是指高温高压水在高速流动和压力变化条件下形成气泡或空穴,而后其随高温高压水流动到压力超过气泡压力的区域时,气泡溃灭并冲击与之接触的金属表面或其保护膜的过程[1]。气泡通常产生在液体内静压小于蒸气压的区域。 

2.1.1   理论计算

判断是否发生气蚀,可根据伯努利方程计算管道内部的压力变化情况。伯努利原理常被表述为式（1）。 

也可以被表述为式（2）。 

式中：p为流体中某点的压强；v为流体该点的流速；ρ为流体密度；g为重力加速度；h为该点所在高度；C为常量；p1为流体流过小头的压力；p2为为流体流过大头的压力；v1为流体流过小头的流速；v2为流体流过大头的流速。 

参考2020年以来两台排污水泵的出口压力表监测值（流体流过大头的压力p2）,计算可知,两台排污水泵在运行过程中,小头的入口压力变化范围分别为1.4794~2.1193 MPa和1.4393~1.6383 MPa。介质温度不超过60 ℃。在60 ℃时,水的饱和蒸气压约为0.0199 MPa。分析可知,流体流经小头的压力远高于水在此温度下的饱和蒸气压,流体内难以产生气泡,因此管道发生气蚀的可能性较小。 

2.1.2   流场模拟分析

为分析减薄管道内部的流场状态,采用ANSYS Fluent商用计算流体力学软件对当前问题进行模拟。采用多面体网格对流动核心区进行网格划分,采用棱柱层网格对近壁面边界层区进行划分。当流体从泵出口经变径管后的直管段流入泵轴封冷却管线支管时,流体流速增加；直管段所接压力表管线支管内液体处于不流动状态,据此设置入口和出口边界条件（如图6所示）。 

图  6  管道计算域

Figure  6.  Computational field of pipe

为得到解析解,并使模拟结果更具合理性,计算选用Realizable k-ε模型（RKE）[2]。其湍流耗散率ε输运方程通过旋涡脉动的均方根推导得出。RKE的湍动能k和耗散率ε输运方程见式（3）~（4）。 

k方程： 

ε方程： 

式中：,；；；ρ为气体密度,kg/m3;i、j为张量坐标,取1,2,3;u为气体速度,m/s;xi、xj为沿x、y方向的坐标,m;μ、μt分别为层流、湍流的黏度系数,Pa·s;p为压力,Pa;k为湍流动能,m2/s2;ε为湍流动能耗散率,m2/s3;Gk表示由于速度梯度导致的湍动能生成项,kg/(S3 m)；常数C2为1.9;σk和σε分别为k和ε方程的湍流Prandtl数,取值分别为1.0和1.2。 

根据主管及支管内的流体状态并结合上述计算方法,计算得到管道内部流场的速度云图、流线图、压力云图、速度矢量图、三维速度矢量图和流线图分别如图7所示。 

图  7  管道内部流场模拟结果

Figure  7.  Simulation results of the internal flow field of the pipe: (a) speed cloud map; (b) streamline diagram; (c) pressure cloud map; (d) velocity vector map; (e) 3D velocity rector map

根据管道内部流场模拟结果[见图7（a）],流体从小头流向大头时压力升高,小头的管壁处压力最小,约为0.6 MPa,高于该温度下水的饱和蒸汽压,流体内难以产生气泡,进一步表明管道发生气蚀的可能性较低。 

由文献[1,3-5]可知,当部件发生气蚀时,气泡在溃灭过程中形成的巨大应力脉冲可达几百兆帕到上千兆帕,大的脉冲应力作用于部件表面会导致其发生塑性变形,微观下可见塑性变形或加工硬化特征。减薄直管段的金相分析结果表明,在减薄严重处内壁的光滑区域和存在明显腐蚀坑的区域均无塑性变形或加工硬化特征,因此进一步排除管道发生气蚀的可能性。 

2.2   流动加速腐蚀

FAC是由于单相液流或汽液双相流在局部湍流部位加速了碳钢或低合金钢表面的保护性氧化膜溶解,造成碳钢或低合金钢局部腐蚀速率增大的现象。FAC通常会引起管壁减薄或点蚀穿孔,使管道强度降低,在内压的作用下导致管道破裂或穿孔泄漏[6]。 

研究表明,FAC是多种因素综合作用的结果,对FAC影响较大的因素包括部件材质、几何形状,介质pH、温度、溶解氧含量和流速等[1,7-11]。 

2.2.1   温度的影响

温度是影响FAC速率的重要参数之一。因为温度既影响亚铁离子在水中的溶解度,也影响碳钢表面氧化膜的结构、pH及氧化反应的化学平衡。 

该减薄管道内流体温度不超过60 ℃。有资料[10]表明,在50 ℃左右的低温下,核电厂管道会出现FAC导致的破坏。电力研究协会（EPRI）低温FAC研究报告[11]显示,国外报道过多起在低温和含中性除氧水环境中核电厂管道发生FAC破坏的案例。美国Vogtle核电站（NPP）的压水堆（PWR）核电机组出现过蒸汽发生器排污系统碳钢弯管在低温环境中发生FAC损坏的案例[10-11],其腐蚀形貌如图8所示,该碳钢弯管内壁形貌与本次分析管道的形貌相似。由上述资料可知,该减薄管道具备在低温下发生FAC的可能性。 

图  8  Vogtle核电站排污管道弯管腐蚀

Figure  8.  Elbow corrosion of pipe in sewage purification system in Vogtle NPP

2.2.2   其他因素的影响

EPRI研究[7]表明,在碳钢中增加Cr含量可以明显降低FAC速率,因为Cr会降低氧化膜的溶解度。当碳钢中Cr质量分数大于0.04%时,FAC速率显著下降,如图9所示。由1.2节化学成分分析可知,管道的材料为20号钢,其Cr质量分数为0.02%,低的Cr含量使其抗FAC性能较弱。 

图  9  碳钢Cr含量与FAC速率关系

Figure  9.  Relationship between Cr content of carbon steel and FAC rate

一般pH升高可抑制FAC发生,当pH为9.0~9.5时,在碱性环境中OH-会抑制Fe3O4的溶解,因此增加pH对降低FAC速率的效果尤其显著[8-9],如图10所示。电厂水化学采用氨加联氨全挥发处理保持二回路水的碱性环境,实际蒸汽发生器排污净化系统中入口处水质pH为8.5~9.5,流经缺陷位置管道的介质为蒸汽发生器排污水,其经过除盐床处理去除了其中的杂质离子,同时也降低了其pH。现场取样测得介质pH为6.8。由上述分析可知,该pH使得管道抗FAC性能较弱。 

图  10  FAC速率与pH的关系

Figure  10.  Effect of pH value on FAC rate

除此之外,介质中溶氧量可能会影响FAC的发生。受几何形状的影响,当介质从管道小头流向大头时,由于几何形状改变导致流体流动状态发生改变,见图7（b）,在管道中产生湍流,加速了内壁面氧化膜的溶解及介质的流速等,这从一定程度上促进了FAC的发生。 

2.3   综合分析

由上述分析可知,流体流经小头的压力高于水在此温度下的饱和蒸气压,且金相分析显示,在管道减薄严重处内壁的光滑区域和存在明显腐蚀坑的区域均无塑性变形或加工硬化特征,因此发生气蚀的可能性较小。 

由FAC的主要影响因素可知,蒸汽发生器排污净化系统排污泵出口管道的材质、几何形状,介质pH、温度、溶解氧含量、流速等均符合发生低温FAC的条件,这与EPRI报告中描述的情况相近。此外,金相检验结果显示,直管段内壁横截面近似呈波浪状轮廓,未发现微裂纹；扫描电镜观察结果显示,减薄区域内表面呈典型的腔室特征；XRD物相分析显示,减薄管件内壁腐蚀产物主要为Fe3O4,均符合部件发生FAC的特征。 

直管段上两个支管的FAC减薄程度和腐蚀形貌不同均与其内部的流体状态有关。压力表管线支管内液体处于不流动状态,使其管壁几乎不发生FAC减薄。但管道内流体流动导致压力表管线支管内靠近直管段焊接的区域存在流体扰动,在压力表管线支管入口处形成漩涡,导致此区域内壁发生了较小程度的FAC减薄,形成扇贝型腐蚀形貌。而当流体从直管段流入泵轴封冷却管线支管时,流速增加,且支管入口处流速增加更显著,导致该支管的FAC速率增加,进而导致其壁厚尤其是靠近入口处壁厚减薄严重。该支管上表面流速比下表面流速大,上表面受到较大流速流体冲蚀,导致其呈波纹状腐蚀形貌；而下表面流体流速相对较小,受流体腐蚀作用相对较弱,因此呈扇贝型腐蚀形貌。 

由此推断,本次蒸汽发生器排污净化系统排污水泵出口管道泄漏的原因是低温下的FAC。管道的材质为FAC敏感材质（20号钢）,介质的pH、管道的几何形状,溶解氧含量、流速等因素促进了FAC的发生。 

由于管道的服役温度较低（不超过60 ℃）,管件的FAC速率较低。因此,在机组运行15 a时,管道才减薄严重引发泄漏。 

一般情况下,当温度为90~230 ℃时,FAC速率较高,且在150 ℃左右时,FAC速率最大[10],电厂一般将该温度下的系统管线列为FAC管理的重点。当高于或低于这个温度范围时,FAC速率相对较小。低温FAC较为少见,因此本次事件对于后续加强FAC管理具有重要参考意义。 

3.   结论与建议

（1）管道减薄原因为低温下的FAC,其敏感材质（20号钢）、中性介质、几何形状、溶氧量和流体流速等因素均促进了FAC的发生。 

（2）建议对介质为中性（如位于除盐床后）的碳钢管道进行超声波测厚检查。 

（3）建议考虑使用对FAC不敏感的材料,对该位置及其他机组相同位置管线进行替代。 

（4）建议进行总体评估,应加强对低温FAC的关注,针对性采取预防性维修维护措施,从而减少非计划停堆或降功率发生的几率,保障电站安全可靠长期运行。

文章来源——材料与测试网