蒸汽管道流動(dòng)加速腐蝕研究

崔 偉,李茜茜,王林強(qiáng),林 楠

(1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029；2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000)

0 引言

由于單相液流或氣液雙相流將碳鋼或低合金鋼表面的保護(hù)性氧化膜溶解，造成氧化膜減薄并引起碳鋼或低合金鋼腐蝕速率增大的現(xiàn)象稱為流動(dòng)加速腐蝕(flow accelerated corrosion，簡(jiǎn)稱FAC)。張國軍[1]介紹了1986年美國Surry核電站發(fā)生的FAC事故，2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的18英寸主給水泵入口水管彎頭因減薄嚴(yán)重而突然斷裂，從斷口釋放出高溫高壓的蒸汽和水的混合物。張桂英等[2]報(bào)道了2004年日本美濱核電站發(fā)生的類似事故，3號(hào)機(jī)組二回路凝結(jié)水系統(tǒng)主管道發(fā)生破裂，大量高溫凝結(jié)水噴射到廠房?jī)?nèi)。林彤、潘向烽等[3-4]總結(jié)了在美國、日本、西班牙、芬蘭等國家的電廠、核電站發(fā)生的FAC事故，表明FAC不僅發(fā)生在彎頭等流場(chǎng)劇烈變化的部位，還會(huì)發(fā)生在直管段，給設(shè)備正常運(yùn)行和人員安全帶來威脅。本文介紹了流動(dòng)加速腐蝕的機(jī)理、數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展、影響因素等，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析，提出了對(duì)應(yīng)的緩解措施。

1 流動(dòng)加速腐蝕機(jī)理

FAC的主要特征是，氧化膜和溶液界面存在流體運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)e2+擴(kuò)散到濃度較低的主流層，繼而被流動(dòng)介質(zhì)帶走，顯著增加了氧化膜的溶解速度。FAC是通過溶解過程起作用的，而不是通過機(jī)械作用破壞氧化層，這與典型的沖蝕有區(qū)別。FAC過程中，可將相關(guān)基體、流體等分為金屬基體、內(nèi)層致密的腐蝕產(chǎn)物、表層疏松的腐蝕產(chǎn)物、流動(dòng)邊界層和主流層，分層模型如圖1所示。

圖1 流動(dòng)加速腐蝕分層模型

具體反應(yīng)可分為以下4個(gè)階段：

第1階段：金屬被氧化，在基體表面產(chǎn)生氧化膜；

第2階段：氧化膜在邊界層一側(cè)溶解，產(chǎn)生游離的Fe2+離子；

第3階段：在濃度差作用下，邊界層的 Fe2+離子向主流層擴(kuò)散；邊界層Fe2+離子濃度降低，由飽和狀態(tài)變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)，促進(jìn)靠近邊界層的氧化膜繼續(xù)溶解；

第4階段：流體不斷流動(dòng)，帶走主流層的Fe2+，擴(kuò)散過程持續(xù)進(jìn)行，造成基體表面的氧化膜持續(xù)減薄，基體腐蝕加速。

因此，F(xiàn)AC 是管道在靜止水中腐蝕過程的延伸，主要區(qū)別在于介質(zhì)流動(dòng)對(duì)Fe2+離子擴(kuò)散和腐蝕產(chǎn)物溶解過程的影響。[5-6]

2 流動(dòng)加速腐蝕的數(shù)值模擬

鑒于FAC對(duì)管道運(yùn)行的巨大威脅，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)一直是研究熱點(diǎn)。日本能源研究綜合工學(xué)所(IAE)開發(fā)了一款評(píng)估程序——DRAWTHREE[7]，通過以下步驟完成對(duì)FAC的評(píng)估：求出主要FAC耦合參數(shù)來評(píng)估FAC的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；在標(biāo)出的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，通過耦合靜態(tài)電化學(xué)反應(yīng)模型和動(dòng)態(tài)雙氧化膜模型，計(jì)算得到壁面減薄速率；在最終評(píng)價(jià)時(shí)，得到管道剩余壽命和FAC應(yīng)對(duì)措施的應(yīng)用評(píng)價(jià)。軟件計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的壁面減薄速率結(jié)果吻合較好。 美國電力研究院(EPRI)、法國電力集團(tuán)(EDF)和德國西門子公司(Simens)等[8]，也開發(fā)了軟件程序開展FAC腐蝕速率的預(yù)測(cè)。

除了專用的軟件，還可使用通用的流體力學(xué)軟件(如Fluent)開展相關(guān)研究。肖卓楠[9-10]等采用Fluent軟件模擬管道的FAC，將溫度、流速、管型和FAC聯(lián)系起來，通過模擬得出高壓給水管道的FAC規(guī)律。結(jié)果顯示：T型三通分流碳鋼管道在輔出水口下游迎流面處的速度、湍流動(dòng)能及壁面剪切力均出現(xiàn)最高值，流動(dòng)加速腐蝕最嚴(yán)重；在150 ℃以下，溫度對(duì)FAC速率的影響主要是通過傳質(zhì)系數(shù)實(shí)現(xiàn)。白冬曉[11]等采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，基于電廠管道實(shí)際工況，根據(jù)溫度變化相應(yīng)地調(diào)整水的物性參數(shù)，模擬計(jì)算得到不同溫度下溶解度、速度、湍流動(dòng)能、壁面剪切力及傳質(zhì)系數(shù)的變化，并結(jié)合流動(dòng)加速腐蝕預(yù)測(cè)模型更精確地分析了溫度的影響。將模擬結(jié)果與其他研究人員實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模擬的正確性，為預(yù)測(cè)及預(yù)防流動(dòng)加速腐蝕提供參考。

雖然國內(nèi)外學(xué)者都針對(duì)FAC數(shù)值模擬開展了大量的工作，但在目前的數(shù)值模擬中基本使用經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合修正。而實(shí)際的模擬研究中，很多沒有實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，或驗(yàn)證數(shù)據(jù)較少，不能更好地驗(yàn)證模型的有效性。所以結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和腐蝕數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的FAC模型，仍然是數(shù)值模擬的重要方向。

3 流動(dòng)加速腐蝕的影響因素

對(duì)FAC進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要明確主要影響因素和影響規(guī)律，包括材質(zhì)、環(huán)境和流體狀態(tài)等，其中環(huán)境因素主要包括溫度、pH值和含氧量，流體狀態(tài)因素既包括介質(zhì)流態(tài)、流速的影響，也包括單相流/兩相流造成的影響。

3.1 材質(zhì)的影響

研究結(jié)果表明，在碳鋼材料中加入少量Cr可減緩FAC，當(dāng)Cr含量達(dá)到1%或1.25%時(shí)，F(xiàn)AC腐蝕速率的減緩甚至達(dá)到原腐蝕速率的1/25，因此采用不銹鋼材質(zhì)可以有效緩解FAC。

3.2 溫度的影響

溫度對(duì)FAC的影響比較復(fù)雜，其對(duì)Fe2+離子在水中的溶解度、氧化膜的結(jié)構(gòu)、pH值及氧化反應(yīng)的化學(xué)平衡等均有影響，但主要影響碳鋼表面氧化膜。在低溫條件下，氧化膜活性較高并且多孔、疏松；在150 ℃時(shí)，F(xiàn)e3O4溶解度最大；隨著溫度升高，氧化物膜更加致密；在300 ℃以上，可形成致密的Fe2O3氧化膜。避開120～180 ℃區(qū)間，可以降低FAC速率。

3.3 pH值的影響

pH值對(duì)于FAC的影響主要是在電極反應(yīng)過程中H+參與還原反應(yīng)，促進(jìn)了電極反應(yīng)。pH值增大時(shí)，F(xiàn)e3O4將會(huì)轉(zhuǎn)化成致密完整的氧化膜，使鐵的腐蝕速率顯著降低，即發(fā)生鈍化。調(diào)節(jié) pH 值，使得 pH>9.5，可以降低FAC速率。

3.4 含氧量的影響

注入一定濃度的氧氣，使得管道表面氧化膜變得致密，可以降低FAC速率。但是加氧過多，會(huì)導(dǎo)致某些裝置(過熱器、再熱器等)氧含量超過規(guī)定范圍，產(chǎn)生高溫腐蝕，氧化皮脫落，進(jìn)而使水冷壁管道的傳熱效率下降。因此調(diào)整氧含量抑制FAC的方法需謹(jǐn)慎使用。

3.5 流態(tài)和流速的影響

回路中彎頭、變徑管、三通、閥門、孔口、設(shè)備管口及其下游管道處相對(duì)直管段更容易發(fā)生嚴(yán)重的FAC，因這些部位流體流速加大、紊亂加劇，對(duì)管道的剝離作用也增大。合理設(shè)計(jì)管道形狀，改善流體的流動(dòng)特性，減小流動(dòng)的湍流程度，如盡量采用大曲率半徑的彎頭、減少三通等，可以降低FAC速率。在滿足工程要求的前提下減小流速，也是降低FAC速率的方法。

3.6 兩相流的影響

相對(duì)于單相蒸汽，氣液兩相流的流型和流場(chǎng)更復(fù)雜。兩相流對(duì)FAC的影響可以通過計(jì)算雷諾數(shù)得出。雷諾數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)越大，傳質(zhì)系數(shù)越大，F(xiàn)AC速率也就越大。其他條件相同時(shí)，兩相流的雷諾數(shù)大于單相流的雷諾數(shù)，因此兩相流的腐蝕速率大于單相流的腐蝕速率?？刂埔合嗪?，避免出現(xiàn)兩相流，也是降低FAC的方法。

研究FAC的影響因素有助于采取針對(duì)性的措施減緩FAC，保障相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，但具體措施，需要根據(jù)實(shí)際工況研究確定。

4 流動(dòng)加速腐蝕失效案例

某煉化廠工藝蒸汽系統(tǒng)出口立管內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，豎直管段迎流側(cè)壁面因減薄不能承壓而發(fā)生撕裂。失效管段的材質(zhì)為20#鋼，運(yùn)行溫度為150 ℃，運(yùn)行壓力0.5 MPa，介質(zhì)由上而下流動(dòng)，介質(zhì)流量為20 kg/h，管線運(yùn)行6個(gè)月后發(fā)生泄漏。管段具有氣液兩相介質(zhì)條件，發(fā)生泄漏部位在彎頭下游1 m處，易發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕。

觀察失效管道內(nèi)壁，形貌如圖2所示，符合流動(dòng)加速腐蝕形貌特征[12]。其中圖2(a)是非迎流側(cè)，在單相流條件下形成典型的沙丘狀形貌；圖2(b)是迎流側(cè)，在兩相流條件下，金屬表面的腐蝕形貌是“虎皮紋”，通常認(rèn)為這種形貌是由高度紊亂和充滿氣泡的水沖刷而成的。

(a)非迎流側(cè)

針對(duì)失效管段開展流場(chǎng)分析，模擬水蒸氣在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立模型如圖3所示。

圖3 失效管段模型

圖4(a)顯示了管內(nèi)液滴的分布情況，箭頭代表液滴，液滴多的位置為兩相流；圖4(b)顯示了液滴速度場(chǎng)的分布情況。從圖4中可以看出，液滴經(jīng)彎頭后受到慣性力的作用主要分布在迎流側(cè)，且在迎流側(cè)流速較快，氧化層溶解速度快。隨著介質(zhì)向下游運(yùn)動(dòng)(距彎頭2 m附近)，管內(nèi)流場(chǎng)逐漸穩(wěn)定分布均勻，兩相流FAC的效應(yīng)減弱。

(a)液滴分布

綜合形貌觀察、工況分析和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，該管段存在典型的FAC，并造成了管段失效。在影響FAC的關(guān)鍵因素中，溫度、pH值等固有工藝條件調(diào)整難度較大，建議從液相控制的層面采取措施，在彎頭入口前增加集液裝置，避免氣液兩相條件下的FAC。同時(shí)，可考慮更換不銹鋼材質(zhì)。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了FAC的機(jī)理、主要影響因素、形貌特征等，為FAC的判定提供了參考；FAC的數(shù)值模擬方面，已經(jīng)有大量的相關(guān)研究，但是需要更多實(shí)際數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)加強(qiáng)FAC的日常監(jiān)測(cè)，積累監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化數(shù)值模擬的計(jì)算模型。

針對(duì)某煉化廠蒸汽管道的FAC失效案例，建議增加集液裝置，控制管道中冷凝水的比例，避免出現(xiàn)氣液兩相流，降低腐蝕速率；必要時(shí)考慮選用不銹鋼材質(zhì)。