核電機(jī)組二回路碳鋼給水管道節(jié)流孔板下游流動加速腐蝕數(shù)值模擬研究

黃麗 逯菲

摘 要：核電機(jī)組二回路的汽水輸運(yùn)管道大量使用碳鋼，流動加速腐蝕（FAC）是影響管道安全性的重要因素之一。FAC過程中，管道內(nèi)壁保護(hù)性氧化膜被流動工質(zhì)加速分解和破壞，無法有效抑制管壁基體的持續(xù) 氧化。管道持續(xù)減薄，并可能在機(jī)組運(yùn)行過程中突然破裂，嚴(yán)重影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在彎管、節(jié)流孔板和T形三通管等流場劇烈變化的奇點(diǎn)下游，最易發(fā)生FAC事故。工質(zhì)流經(jīng)這些管道部件時，流向的劇烈變化及二次流不穩(wěn)定性發(fā)展等因素，致使FAC速率顯著增加。發(fā)現(xiàn)孔板和閥門的結(jié)構(gòu)特性促使下游湍流靠近壁面，提高了壁面的傳質(zhì)速率?；诖耍酒恼聦穗姍C(jī)組二回路碳鋼給水管道節(jié)流孔板下游流動加速腐蝕數(shù)值模擬進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：核電機(jī)組二回路碳鋼;給水管道;節(jié)流孔板;下游流動;加速腐蝕數(shù)值模擬

引言

加氧處理具有有效抑制給水系統(tǒng)、高加疏水系統(tǒng)流動加速腐蝕、減緩鍋爐受熱面結(jié)垢速率、延長鍋爐化學(xué)清洗周期、抑制高加疏水調(diào)節(jié)閥堵塞等優(yōu)勢，已成為超超臨界機(jī)組優(yōu)選的水處理化學(xué)工況。目前加氧處理在國內(nèi)外火力發(fā)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用。有關(guān)專家研究分析其根本原因?yàn)榱鲃蛹铀俑g產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物沉積，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4。而解決以上問題的根本方法是采用加氧處理工藝，使金屬表面形成致密的Fe2O3及Fe3O4雙層保護(hù)膜，該保護(hù)膜對水汽系統(tǒng)管道及熱力設(shè)備具有鈍化保護(hù)作用。某機(jī)組實(shí)施給水、高加疏水加氧處理，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供重要保障。

1FAC的機(jī)理

美國電力研究院EPRI把流動加速腐蝕定義為：“碳鋼或低合金鋼表面正常氧化保護(hù)層溶解至水/汽水混合物流的過程”據(jù)統(tǒng)計(jì)1986年至1997年歐美各核電站發(fā)生多起管路系統(tǒng)和過流部件失效的事故，最終定性為因FAC引起的失效方式。FAC是造成核電站管路系統(tǒng)及其他過流部件頻繁失效的主要原因，尤以壓水堆核電站二回路管路系統(tǒng)為嚴(yán)重。FAC是一個化學(xué)腐蝕的過程，從動態(tài)的角度上理解，碳鋼表面覆蓋了一層Fe3O4保護(hù)膜，在遠(yuǎn)離這層保護(hù)膜的區(qū)域的主流區(qū)的流速較高，而靠近氧化膜的流體邊界層的流速較低，邊界層中已經(jīng)溶解的鐵不斷地向主流區(qū)中遷移，水中溶解的鐵處于不飽和狀態(tài)，氧化膜中的鐵就會溶解到未飽和的邊界層中，從而使Fe3O4氧化膜以一定的速率溶解，而高速流動的水又將遷移于水中溶解鐵帶走，從而產(chǎn)生了碳鋼表面的不斷腐蝕。

2FAC的影響因素

2.1蒸汽含汽率對FAC的影響

蒸汽含汽率對FAC的影響可以通過雷諾數(shù)的計(jì)算公式反應(yīng)出來，流體為汽液兩相流時，雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：Re= （1）

流速的計(jì)算公式為：

當(dāng)流體為單相液體流時，Q為工質(zhì)流量，χ為蒸汽的質(zhì)量，α為蒸汽的體積分?jǐn)?shù)。而流體是汽液兩相流，且蒸汽含汽率較小時，由于α>χ，此時的Re比單相液體流的Re大，說明紊流程度較大，F(xiàn)AC腐蝕速率也會較大。而蒸汽含汽率進(jìn)一步增大時，雖然Re會增大，但是由于環(huán)狀流（大多數(shù)的液體以膜狀貼著管壁流動，而氣體夾帶著霧沫在管道中心高速運(yùn)動）的形成，管壁表面的邊界層更加穩(wěn)定，物質(zhì)擴(kuò)散阻力增加，F(xiàn)AC速率降低。當(dāng)流體是單相蒸汽流時，α=1，此時電化學(xué)腐蝕不發(fā)生，F(xiàn)AC幾乎不存在。所以隨著蒸汽含汽率的增大，F(xiàn)AC的速率是先增大后減小。

2.2溶氧量對FAC的影響

在純凈度極高的給水中，溶解氧會產(chǎn)生鈍化作用。當(dāng)給水采用加氧處理（OT）時，充足的氧量能讓金屬表面形成穩(wěn)定的Fe3O4內(nèi)伸層。且通過內(nèi)伸層的微孔通道到達(dá)表面的Fe2+，一部分直接形成穩(wěn)定的Fe3O4外延層;另一部分氧也會進(jìn)入到Fe3O4孔隙與其中的F2+反應(yīng)得到Fe2O3，使微孔變小或者封閉，F(xiàn)e2+擴(kuò)散的速率隨之減小。所以，OT處理最終會使鋼表面擁有致密穩(wěn)定的“雙層保護(hù)膜”，流動加速腐蝕得到有效抑制。通過對某電廠機(jī)組實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得到Fe2+濃度隨溶解氧含量的變化情況，F(xiàn)e2+的濃度隨溶解氧含量增加而減小，F(xiàn)AC速率減小。溶解氧含量大于45μg/L，F(xiàn)e2+的濃度將小于0.09μg/L，說明此時FAC得到了有效抑制。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1溶解度

水化學(xué)條件選取核電機(jī)組二回路管道運(yùn)行的溫度壓力范圍，結(jié)合FAC高發(fā)的溫度范圍。具體取值如下：溫度為150℃，壓力為0.95MPa，常溫條件（25℃）下流體的pH為9.4，150℃條件下流體的pH為6.86，H2濃度為1.5×10-3mol/L。

3.2FAC速率

取入口流速為0.8m/s、2.0m/s和5.0m/s，分別計(jì)算出倒角角度為15°、30°、45°、60°和90°5種孔板下游的流場分布，并計(jì)算出Sh。根據(jù)Sh與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)流體入口流速一定時，倒角角度為45°能減緩孔板對流場帶來的變化，下游流場的變化較為平穩(wěn)，孔口的流體能更好地和周圍流體發(fā)生動量交換，因此下游的動量交換減小，傳質(zhì)系數(shù)減小。當(dāng)?shù)菇墙嵌刃∮诨蛘叽笥?5°時，孔板下游流場變化增大，孔口的動量交換減小，下游的動量交換加劇，因此下游傳質(zhì)系數(shù)增加。倒角角度的改變對傳質(zhì)系數(shù)峰值位置的影響不大。隨著倒角角度的增大，傳質(zhì)系數(shù)峰值位置遠(yuǎn)離孔板。

4建議分析

（1）在機(jī)組加氧處理穩(wěn)定運(yùn)行中，調(diào)整除氧器連續(xù)排氣門至微開狀態(tài)（開度30%），一方面使除氧器得到更有效保護(hù)，另一方面可減少除氧器的排汽及熱量損失;同時關(guān)閉高壓加熱器連續(xù)排汽門，可以避免疏水中加入的氧氣因排汽消失以及氨濃度因排汽而減少，以有利于抑制高加疏水系統(tǒng)的流動加速腐蝕。（2）鑒于加氧處理能夠有效抑制流動加速腐蝕、延長精處理混床周期制水量、減緩鍋爐受熱面結(jié)垢速率、抑制高加疏水調(diào)節(jié)閥堵塞等優(yōu)點(diǎn)，建議同類機(jī)組鍋爐水處理化學(xué)工況采用加氧處理。（3）已進(jìn)行給水加氧處理的機(jī)組，建議改造為全保護(hù)加氧處理工藝，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)組熱力設(shè)備的全面保護(hù)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)束語

防止核電站常規(guī)島設(shè)備和管道FAC的發(fā)生是關(guān)系到核電站長期安全可靠運(yùn)行的重要問題。要結(jié)合核電廠項(xiàng)目的設(shè)計(jì)情況，在工程設(shè)計(jì)中采取有效的措施來應(yīng)對流動加速腐蝕：1）在容易發(fā)生FAC的管道系統(tǒng)中采用含有一定鉻元素的低合金鋼或控制最低鉻含量的碳鋼材料。2）嚴(yán)格控制相關(guān)管線中的介質(zhì)流速，綜合考慮運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，合理地進(jìn)行管徑和壁厚的選取。

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