在線測試碳鋼流動加速腐蝕減薄速率的直流電壓法

賴 平,張樂福,潘向烽,宋利君,李新民

(1.上海交通大學(xué)核能科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

在線測試碳鋼流動加速腐蝕減薄速率的直流電壓法

賴 平1,張樂福1,潘向烽1,宋利君2,李新民2

(1.上海交通大學(xué)核能科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

研究了在線測試試樣管壁減薄速率的方法,并在前期試驗方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。在模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況條件下,對兩種碳鋼進(jìn)行了流動加速腐蝕試驗。結(jié)果表明:在線測試碳鋼流動加速腐蝕速率的改進(jìn)方法合理可行,可以實現(xiàn)在線測試材料的流動加速腐蝕速率,實現(xiàn)不更換試樣的連續(xù)試驗,減輕試驗受環(huán)境變化的影響;溫度波動對在線測試有較大的影響,引入無量綱電壓可減輕其影響。

直流電壓法;在線測試;碳鋼;流動加速腐蝕減薄速率

流動加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion, FAC)[1-5],是指液相(單相液流或氣液兩相流)存在時,碳鋼或低合金鋼表面的保護(hù)性氧化膜溶解,造成壁厚持續(xù)減薄的現(xiàn)象,液相流動對此有促進(jìn)作用。流動加速腐蝕是金屬損耗的一種,主要包括金屬氧化的電化學(xué)過程和金屬離子遷移、可溶性含鐵組分溶解的物理過程。

流動加速腐蝕是一種普遍現(xiàn)象,在電力、石油、化工等具有冷凝水管路的行業(yè)中普遍存在[5],壓水堆核電站管道中發(fā)生的流動加速腐蝕最受到關(guān)注。日本美濱核電站3號機(jī)組由于流動加速腐蝕造成了嚴(yán)重的人員傷亡[3-4]。國內(nèi)某核電廠在每次大修時,均能從汽水分離再熱器箱底及疏水箱中清掃出一些銹蝕產(chǎn)物,經(jīng)檢驗分析得知其為磁性氧化鐵;在凝汽器底部也會清理出類似的銹蝕產(chǎn)物。通過對腐蝕形態(tài)觀察、腐蝕產(chǎn)物成分分析、金相分析,并結(jié)合腐蝕部位的熱力情況分析,確認(rèn)引起上述問題的主要原因是流動加速腐蝕[6]。通常情況下,流動加速腐蝕發(fā)生在90～230℃;但是近年來,在部分大容量高參數(shù)的超(超)臨界機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)及疏水系統(tǒng)在較低溫度下也會發(fā)生流動加速腐蝕[7],例如張賢等[8]證實在50℃的凝結(jié)水中會出現(xiàn)流動加速腐蝕導(dǎo)致的破壞。

日本美濱核電站3號機(jī)組發(fā)生了嚴(yán)重的流動加速腐蝕,由于其壁厚減薄未被及時檢測出來,沒有采取相應(yīng)措施,當(dāng)管道壁厚減薄到一定程度后管道便會突然破裂,造成設(shè)備損傷和人員傷亡。因此測定流動加速腐蝕速率,預(yù)測材料的壁厚情況,及時采取相應(yīng)的措施來預(yù)防或應(yīng)對流動加速腐蝕,對于核電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。

傳統(tǒng)方法較普遍地采用掛片方法來測試流動加速腐蝕速率,測定結(jié)果分散不具有連續(xù)性,同時對試樣的處理過程中會引入很大的誤差(如試樣的氧化、稱量等)。針對傳統(tǒng)方法的不足,為滿足流動加速腐蝕速率在線連續(xù)測試的需求,筆者采用直流電壓法[9-11]在線連續(xù)測試材料的流動加速腐蝕速率,并和稱重法結(jié)果進(jìn)行對比,在前期試驗方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[12]。

1 試驗原理

當(dāng)通過試樣的直流電流恒定時,試樣兩端的電壓隨厚度變化[13-14](即為直流電壓法)。可根據(jù)測量得到的電壓信號,來反映試樣厚度的變化,實現(xiàn)在線測試。該試驗采用規(guī)則的管狀試樣,在試樣兩端加載恒定的電流,測量試樣標(biāo)準(zhǔn)段上的電壓U,通過電壓和試樣厚度的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系,得出試樣的壁厚減薄量[12]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的推導(dǎo)過程,壁厚減薄量和電壓的關(guān)系式為:

式中:Δx為壁厚減薄量,mm;d0為試樣外徑,mm;K為常數(shù),與加載電流、試樣形狀有關(guān),由初始測量電壓得到;U為測量得到的電壓,n V;di為試樣初始內(nèi)徑,mm。

在實際試驗情況下,流體環(huán)境處于波動狀態(tài),如溫度在平衡點附近波動,而環(huán)境溫度變化對電勢的影響很大,如圖1所示。因此引入無量綱電壓,計算時只需將式(1)中的電壓改為無量綱電壓即可。

圖1 環(huán)境溫度變化對電勢的影響Fig.1 Effect of ambient temperature change on the potential

要直接采用式(1)計算,需要滿足比較嚴(yán)格的條件:參比電極需要和試樣處于相同的流體環(huán)境,與此同時自身不受腐蝕。由于難以滿足理想的參比電極條件,因此引入了改進(jìn)型參比電極,相應(yīng)的計算公式也有如下變動。

當(dāng)通入電流恒定時,測量得到的電壓U由兩個因子決定,即與試樣形狀尺寸有關(guān)的函數(shù)f(x)和與電導(dǎo)率有關(guān)的函數(shù)g(ρ),其中電導(dǎo)率ρ受環(huán)境因素(溫度、流體、材料等)影響。用公式表達(dá)即為:

在初始厚度已知的條件下,有:

式中:x0為初始厚度;Δx為厚度減少量。

根據(jù)此關(guān)系,采用了相同材料不同尺寸的試樣串聯(lián)起來,保證其所處環(huán)境盡可能一致,則有:

式中:x1,x2分別為不同的初始厚度。

將式(4)和式(5)相除可得:

式中:h(x)是只與試樣形狀尺寸有關(guān)的函數(shù)。

由這一函數(shù)關(guān)系可知,可通過測量電壓信號得出試樣厚度的變化量。通過對測量得到電壓的無量綱化,理論上消除了環(huán)境因素帶來的電阻率的波動,就可以去掉式(1)推導(dǎo)過程中的假設(shè):試樣所處的流體環(huán)境保持穩(wěn)定,即材料的電阻率ρ為常數(shù)。

2 試驗方法

試驗所用回路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細(xì)信息可查閱文獻(xiàn)[12]。所使用的管狀試樣如圖2所示,該試樣保證參比電極和標(biāo)準(zhǔn)段處于相同的流體環(huán)境。在管狀試樣的兩端加載恒定電流,在左端的大外徑段(粗段),選擇兩個電勢測點作為參比信號,在中間的小外徑段(細(xì)段),選擇另外兩個電勢測點作為標(biāo)準(zhǔn)段的電壓信號,各電極的焊接位置如圖3所示。管狀試樣加載電流后的電勢分布如圖2所示,粗箭頭所示為加載恒定電流位置,選擇電勢測點的原則為:為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,盡量使測量的結(jié)果為較大的數(shù)值,以減小計算公式所帶來的誤差;電流分布應(yīng)盡量均勻,以滿足公式推導(dǎo)假設(shè)。

根據(jù)上文所選用的試樣,對該測量方法所用計算公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗:使用同一試樣,測量其在已知不同厚度下的電壓,根據(jù)計算公式,由測量得到的電壓計算試樣的厚度。加工厚度和試驗計算厚度的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示,其中計算值表示根據(jù)公式換算得到的結(jié)果,參考值表示測量結(jié)果(即標(biāo)準(zhǔn)線),修正值表示在計算值的基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)1.05后的結(jié)果。

圖2 管狀試樣電勢分布圖Fig.2 Potential distribution of the tube specimen

圖3 管狀試樣設(shè)計圖Fig.3 Design diagram of the tube specimen

圖4 試樣厚度結(jié)果對比Fig.4 Result comparison of specimen thickness

從圖4中的曲線可以看到,試樣厚度的計算值和測量值相比,結(jié)果接近但略偏小。由于計算公式的推導(dǎo)相比實際情況更理想化,實際情況的電流分布不完全均勻,因此這一誤差可能是由計算公式造成的。試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)是凹凸不平的[15],測量得到的厚度是最高點的厚度,而計算得到的厚度是平均厚度,如圖5所示。因此,用公式計算得到的試樣厚度和測量得到的試樣厚度相比,理論上偏小?？紤]到計算公式帶來的偏差,給計算公式乘以修正系數(shù)1.05,得到修正的計算公式。修正后的計算結(jié)果和測量結(jié)果吻合,因此可以認(rèn)為這一計算方法是合理可行的。

圖5 計算厚度和測量厚度差異示意圖Fig.5 Schematic diagram of the difference between calculating thickness and measuring thickness

為了確認(rèn)直流電壓法的結(jié)果,采用掛片試樣的結(jié)果(減薄量)作為參考。試驗前在片狀試樣的邊角處刻上鋼印標(biāo)記,然后用砂紙進(jìn)行表面處理,用酒精進(jìn)行超聲清洗去除表面污垢后,置于干燥箱中烘干并稱取質(zhì)量。試驗后,取出試樣進(jìn)行脫膜、清洗、烘干后稱取質(zhì)量,根據(jù)試驗前后的質(zhì)量減少來計算腐蝕速率。

3 試驗材料與試驗條件

利用已有的模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況的試驗回路對A106Gr B和A672Gr B60兩種碳鋼進(jìn)行流動加速腐蝕試驗,所用兩種碳鋼的化學(xué)成分見表1。

給定試驗條件:溫度150℃,壓力3 MPa,p H為9.7(加乙醇胺ETA調(diào)節(jié)),給水聯(lián)氨的質(zhì)量濃度大于等于40μg·L—1,給水溶解氧的質(zhì)量濃度小于5μg·L—1,流速9 m·s—1。在此試驗條件下對該方法進(jìn)行試驗驗證。

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the test material（mass） %

4 試驗結(jié)果與討論

進(jìn)行有效試驗時間大于300 h的試驗后,得到如圖6所示的電壓變化曲線。從圖6可以看到,試樣粗段和細(xì)段的電壓變化無明顯的規(guī)律,但是兩根曲線的變化趨勢一致,說明試樣所處的環(huán)境處于波動狀態(tài)。試驗測量的電信號對溫度變化敏感,試驗溫度在控制的平衡溫度附近波動,同時試驗裝置所處的環(huán)境溫度也處于不穩(wěn)定狀態(tài),如晝夜溫差、陰晴溫差等,這些因素都會使電壓曲線無明顯變化規(guī)律。圖6中的電壓變化曲線說明試樣所處的環(huán)境不穩(wěn)定,即不滿足推導(dǎo)過程中的假設(shè),因此需要使用無量綱電壓。

圖6 管狀試樣段電壓變化曲線Fig.6 The potential trend of the tube specimen

將試樣的細(xì)段和粗段的測量電壓相除,得到如圖7所示的無量綱電壓曲線。電壓曲線無量綱化后的結(jié)果具有較明顯的變化規(guī)律,說明圖6中電壓曲線的不規(guī)律性和電阻率的變化有關(guān)。使用無量綱電壓在理論上不用滿足公式推導(dǎo)中的假設(shè),因此可以使用無量綱電壓和厚度減薄量的關(guān)系式,即式(1)。

圖7 管狀試樣段無量綱電壓變化曲線Fig.7 The non-dimensional potential trend of the tube specimen

根據(jù)試樣壁厚和無量綱電壓的關(guān)系式,即式(1),將試驗測量得到的無量綱電壓換算成壁厚的減薄量,換算結(jié)果如圖8所示,可以看到兩種材料的腐蝕速率有明顯差異。將得到的壁厚減薄量曲線進(jìn)行線性擬合,得出直流電壓法在150℃ETA工況下,A106Gr B碳鋼的流動加速腐蝕速率為0.019 98 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼的流動加速腐蝕速率為0.011 19 mm·a—1。參照ASTM G1—03 (2011)[16],對片狀試樣進(jìn)行脫膜處理后,得到A106Gr B碳鋼稱重法的腐蝕減薄速率為0.018 81 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼稱重法的腐蝕減薄速率為0.013 29 mm·a—1。

圖8 在150℃加ETA工況下管狀試樣段壁厚減薄量變化曲線Fig.8 Changing curves of thickness reduction of the tube specimen wall at 150℃with ETA

由于在正式試驗前,試驗回路需要清洗、試壓等操作,會使得片狀試樣氧化;同時啟動試驗、停止試驗等需要一定的時間,這些操作都不可避免地使試樣受到不同程度的腐蝕。對于修正的直流電壓法,得到的結(jié)果與稱重法得到的結(jié)果相比,A106Gr B碳鋼的偏差為6.2%,A672GrB60碳鋼的偏差為15.8%。因此可以認(rèn)為:兩種方法得到的不同結(jié)果在試驗測量誤差范圍內(nèi),試驗結(jié)果比較理想。

與此同時,直流電壓法能夠更容易地表示出壁厚減薄量和時間的關(guān)系,可以實現(xiàn)不更換試樣的連續(xù)試驗,有效解決了傳統(tǒng)的掛片法試驗結(jié)果不連續(xù)的特點,完成相同的試驗?zāi)軌虮葤炱ǐ@得更多的試驗數(shù)據(jù),有助于試驗結(jié)果的分析。直流電壓法在線測試可以不更換試樣,而改變單一試驗條件連續(xù)進(jìn)行試驗,連續(xù)試驗?zāi)芎喕囼?節(jié)約試驗成本。關(guān)于該試驗方法的后續(xù)研究也將繼續(xù)開展。

5 結(jié)論

通過模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況,在前期試驗方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)后,采用直流電壓的方法,在線測試了試樣的電壓變化,試驗得到以下結(jié)論。

(1)采用改進(jìn)的直流電壓法在線測試管壁減薄速率是合理可行的。與掛片法試驗結(jié)果的對比表明,改進(jìn)直流電壓法的結(jié)果具有較高的精度。

(2)溫度波動對直流電壓法的試驗結(jié)果有較明顯的影響,而在增大溫度控制精度的同時,引入無量綱電壓有利于減小溫度波動帶來的影響。

(3)改進(jìn)后的方法可以明顯減輕環(huán)境對試驗的影響。使用的管狀試樣,通過使用無量綱電壓,減輕了環(huán)境因素(如溫度)變化對試驗結(jié)果的影響,降低了對試驗條件控制的要求。

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On-line Testing Wall Thinning Rate of Flow Accelerated Corrosion for Carbon Steel by DC Voltage Method

LAI Ping1,ZHANG Le-fu1,PAN Xiang-feng1,SONG Li-jun2,LI Xin-min2
(1.School of nuclear science and engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute(SNPI),Suzhou 215004,China)

An on-line testing method of specimen wall thinning rate was researched and improved based on the previous testing method.A system was built to carry out the flow accelerated corrosion test by this method in simulated secondary water chemistry of PWR.The experimental results show that:the improvement of on-line testing method was reasonable for testing flow accelerated corrosion rate of carbon steel,and it could test continually without changing specimens and reduce the influence of its surroundings;temperature fluctuation had a great influence on the on-line measurement,and non-dimensional voltage could be brought in to reduce the influence.

DC voltage method;on-line testing;carbon steel;flow accelerated corrosion thinning rate

TG172.82

:A

:1001-4012(2017)01-0017-05

10.11973/lhjy-wl201701005

2016-04-18

賴平(1992—),男,碩士研究生,主要從事金屬材料腐蝕性能研究,laiping＠sjtu.edu.cn。