流動(dòng)加速腐蝕對碳鋼管道的影響

于　濤

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京　100095)

流動(dòng)加速腐蝕對碳鋼管道的影響

于濤

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095)

摘要：流動(dòng)加速腐蝕是電站內(nèi)常見的一種腐蝕類型。由于影響流動(dòng)加速腐蝕的因素較多，很難對流動(dòng)加速腐蝕作出準(zhǔn)確預(yù)測。對影響流動(dòng)加速腐蝕的各種因素分別進(jìn)行論述，并據(jù)此提出了理論計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：高溫汽水管道；流動(dòng)加速腐蝕；含氧量；PH值

1流動(dòng)加速腐蝕對電站管道的影響

在高溫汽水環(huán)境下，電站內(nèi)碳鋼管道的主要腐蝕類型為流動(dòng)加速腐蝕(FAC)、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和疲勞損傷。FAC是指單相液流或汽液雙相流將碳鋼或者低合金鋼表面的保護(hù)性氧化膜溶解，而造成氧化膜減薄并引起碳鋼或者低合金鋼腐蝕速率增大的現(xiàn)象。

國內(nèi)外發(fā)生過多起管道破裂失效事故，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成了人員傷亡。2004年美濱核電站3號機(jī)組冷凝管線某孔口下游由于FAC導(dǎo)致管道破裂，導(dǎo)致4人死亡。日本女川核電站2號機(jī)組給水管道彎頭處發(fā)生濕蒸汽沖刷腐蝕，導(dǎo)致管壁穿孔。文獻(xiàn)[1]對近年國內(nèi)外管道腐蝕失效案例進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明FAC引起的腐蝕案例占總數(shù)的25%，F(xiàn)AC已成為管道腐蝕失效的主要原因。因此，準(zhǔn)確預(yù)測和防治FAC是電站安全運(yùn)行中的關(guān)鍵問題。

2FAC成因及影響因素

電站中，鍋爐對給水的PH值和含氧量有一定要求，為滿足設(shè)備制造商的要求，通常會對給水系統(tǒng)進(jìn)行加藥和除氧處理，以維持較高PH值和較低含氧量的環(huán)境。在高溫水中，堿性水會腐蝕金屬基體，釋放出Fe2+，并在金屬表面生成一層保護(hù)性的Fe3O4。但是Fe3O4具有滲透性和微溶性，會在H+作用下逐漸溶解。當(dāng)腐蝕膜生成和腐蝕膜溶解達(dá)到平衡時(shí)，F(xiàn)AC腐蝕速率穩(wěn)定。

腐蝕膜減薄主要是化學(xué)溶解而非流體的機(jī)械作用，在單相流環(huán)境中，F(xiàn)AC包括3個(gè)關(guān)鍵過程：氧化膜的生成；腐蝕產(chǎn)物通過擴(kuò)散層擴(kuò)散到溶液中；氧化膜的溶解。

無O2環(huán)境下，F(xiàn)AC反應(yīng)過程包括：

(1)氧化膜的生成

Fe+2H2O→Fe2+2OH-+H2

Fe2+2OH-?Fe(OH)2

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

(2)Fe2+和H2在多孔膜中的擴(kuò)散

(3)氧化膜的溶解

FAC腐蝕過程與水化學(xué)、材料組成和流動(dòng)特性緊密相關(guān)，其主要影響因素如圖1所示[2]。

圖1　影響FAC的主要因素

由圖1可以看出，影響FAC的因素非常多，可總結(jié)為：管件的材料(Cr元素含量)、化學(xué)環(huán)境(PH值、含氧量)、流體的溫度和速度、管件形狀、流體動(dòng)力特性等。

(1) 管件的材料。根據(jù)電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不銹鋼和Cr-Mo鋼與碳鋼相比，不易發(fā)生FAC。且管件材料中Cr含量達(dá)到0.2～0.3%時(shí)，腐蝕速率就已明顯降低。因此，電站設(shè)計(jì)時(shí)，對于易發(fā)生FAC的管件，應(yīng)優(yōu)先選用不銹鋼、P22、P11或HD245Cr等抗腐蝕性能比較強(qiáng)的材料，并對主要管道的FAC進(jìn)行監(jiān)測。

(2) 化學(xué)環(huán)境。當(dāng)水中O2濃度升高時(shí)，F(xiàn)e3O4會逐步氧化成Fe2O3，腐蝕膜的保護(hù)性會增強(qiáng)。為了減少氧化膜的溶解，向水中注入少量的O2促進(jìn)膜生成，可以顯著地降低FAC腐蝕速率[3]。另外，注入新型堿化劑(如乙醇胺，ETA)也會顯著的改變?nèi)芤焊g特性，從而促進(jìn)腐蝕膜的生成。根據(jù)對運(yùn)行電廠的監(jiān)測，常規(guī)火電給水和凝結(jié)水的含氧量維持O2<5ppb，pH>9時(shí)，碳鋼的腐蝕速率較低。

(3) 流體溫度。實(shí)驗(yàn)室研究表明，在80～280℃時(shí)FAC腐蝕比較嚴(yán)重。在單相流體時(shí)，F(xiàn)AC腐蝕速率最嚴(yán)重的范圍是130～210℃。在兩相流體時(shí)，F(xiàn)AC腐蝕速率最嚴(yán)重的范圍是50～200℃。因此，在壁厚計(jì)算時(shí)，應(yīng)對該溫度范圍內(nèi)的管道考慮一定的腐蝕余量，以保證電站運(yùn)行期間不發(fā)生管道失效事故。

(4) 管件形狀。管道的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場條件的情況下，減少局部的湍流。電站運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)三通、彎頭、現(xiàn)場焊縫的局部位置發(fā)生腐蝕非常明顯。在這些管件的下游3～5倍的直徑長度范圍內(nèi)的金屬損耗非常嚴(yán)重。管道的布置應(yīng)該避免管件與管件的近距離連接，采用獨(dú)立安裝，各管件之間的距離要大于3～5倍管道直徑。在易發(fā)生腐蝕的系統(tǒng)管道中，應(yīng)最大限度的采用彎管、大彎曲半徑彎頭，如果可能，盡量減少支路連接和三通。

(5) 流體動(dòng)力特性。FAC發(fā)生在流體傳質(zhì)系數(shù)高的情況。流體傳質(zhì)取決于水力條件和可溶解鐵在邊界層的擴(kuò)散能力。如：大小頭、控制閥、孔板和焊縫區(qū)域、控制閥和孔板下游的管道容易發(fā)生由汽化和閃蒸等機(jī)械破壞引起的腐蝕速率的增加。且流速越低，湍流越少，管道和部件的布置對FAC腐蝕速率的影響就越小。

3FAC腐蝕速率的計(jì)算

通過對FAC影響因素的分析，可得出如下理論計(jì)算公式：

V=FM×FG×FT×FC×FR

(1)

式中V——腐蝕速率，mm/年；FM——傳質(zhì)系數(shù) ；FG——幾何系數(shù)；FT——溫度系數(shù)；FC——水力條件系數(shù)；FR=鋼成分系數(shù)。

4結(jié)語

本文得到的FAC腐蝕速率計(jì)算公式是理論公式，相關(guān)參數(shù)和圖表還需通過實(shí)驗(yàn)獲得。目前我國缺少相關(guān)數(shù)據(jù)或圖表，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確預(yù)測FAC速率。因此，應(yīng)研究管道材料流動(dòng)加速腐蝕機(jī)理和膜溶解特性、分析典型結(jié)構(gòu)近壁面?zhèn)髻|(zhì)規(guī)律、建立基于三維仿真的管道結(jié)構(gòu)FAC預(yù)測技術(shù)、提出有效的降低腐蝕速率方法。

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(本文編輯：趙艷粉)

Influence of Flow Accelerated Corrosion on Carbon Steel Pipes

YU Tao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

Abstract:Flow accelerated corrosion is common in power station. Due to various influencing factors for flow accelerated corrosion, it is difficult to accurately predict flow accelerated corrosion. This paper analyzes the influencing factors for flow accelerated corrosion, and accordingly puts forward the theoretical computing formula.

Key words:high-temperature steam-water pipe; flow accelerated corrosion; oxygen content; PH value

DOI：10.11973/dlyny201603022

作者簡介：于濤(1983)，男，工程師，要從事核電站熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號：TG172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0357-02

收稿日期：2016-02-18