文丘里管喉道腐蝕原因分析及其影響

李智鵬

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

文丘里管屬于差壓式流量計的一種，利用流體流經(jīng)喉道產(chǎn)生的前后壓差進行流量測量，結合壓力測量儀表廣泛應用于大管徑流體控制與計量[1]。傳統(tǒng)文丘里管在組成上包括上下游直管段、圓錐收斂部、喉道、圓錐擴散段及其壓力變送器等部分。盡管隨著科技的發(fā)展，流量測量儀表的種類發(fā)展日新月異，先后出現(xiàn)了超聲波流量計、電磁流量計等新型流量測量裝置，然而文丘里管依然以其性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、應用廣泛、耐高溫高壓、采購成本低等優(yōu)點而在發(fā)電廠、石油化工、市政污水處理、供氣供暖等行業(yè)的管道流量測量中占據(jù)著非常重要的位置。在某核電廠，主給水系統(tǒng)的流量測量依然采用文丘里管這種經(jīng)典的差壓測量方式[2]。

主給水系統(tǒng)是電廠二回路系統(tǒng)的重要組成部分。某核電廠主給水系統(tǒng)的文丘里管自投入運行以來，累計運行年限接近27 a，出現(xiàn)了主給水的流量測量值逐年下降的趨勢。由于主給水的作用是其被加熱成蒸汽后，推動汽輪機葉輪轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電機發(fā)電，所以主給水流量大小直接關系到核電機組的發(fā)電能力。在核電廠額定發(fā)電功率未變的情況下所需主給水的流量逐年降低，意味著發(fā)電機組的設備工作效率在逐年提高，這與實際情況明顯不符。為了探明主給水系統(tǒng)文丘里管指示偏低的根本原因，需要對文丘里管進行拆解，并對其內(nèi)部結構和部件進行檢查。

1 問題描述

核電廠主給水系統(tǒng)用來向蒸汽發(fā)生器輸送給水。供水量由給水流量控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，維持蒸發(fā)器二次側水位高度在一個隨汽輪機負荷變化所預定的基準值附近波動。主給水系統(tǒng)主要由主給水快關調(diào)節(jié)閥、主給水隔離閥、文丘里管流量測量裝置、溫度儀表、壓力儀表等設備組成，除文丘里管外，主給水系統(tǒng)無其他備用流量測量儀表。主給水系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，主給水文丘里管(設備編號FE4503A)的主要運行參數(shù)見表1。

表1 主給水文丘里管主要運行參數(shù)

主給水文丘里管配合壓力儀表測量主給水流量。文丘里管自投入運行近27年來，因文丘里管的安裝方式為焊接且無內(nèi)部檢查窗，一直無法對文丘里管進行檢查維修和流量標定。根據(jù)電站監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示，通過文丘里管測得的主給水流量值存在逐年下降的趨勢，以A列主給水系統(tǒng)為例，其流量從C15發(fā)電周期的約910 t/h逐漸下降到C17發(fā)電周期的約890 t/h，如圖2所示。

2 設備拆解及內(nèi)部組件檢查

為徹底探明主給水文丘里管指示偏低的根本原因，于2018年核電廠大修期間對主給水系統(tǒng)文丘里管進行了切割、拆解。根據(jù)拆解的結果來看，文丘里管的上下游直管段、圓錐收斂段、圓錐擴散段等組件形態(tài)完好，無明顯變形、腐蝕、裂紋等缺陷，但是文丘里管的喉道直徑存在明顯的擴大現(xiàn)象，輪廓呈現(xiàn)出不規(guī)則的橢圓形，輪廓最大直徑達到φ146 mm，超過設備原始出廠設計值φ144.5 mm±0.2 mm，如圖3所示。文丘里管喉道表面覆蓋一層黑色的鐵磁性氧化物，并有表面凹坑，具有明顯的流速加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion,簡稱FAC)特征，如圖4所示。

3 文丘里管FAC成因

3.1 基本概念

FAC是導致金屬管壁減薄的最主要原因。世界上許多國家都對FAC的腐蝕機理進行了系統(tǒng)而深入的研究，取得了顯著的成果。碳鋼和低合金鋼在流動的水中或濕蒸汽條件下表面會形成鐵磁性氧化膜。常溫、低流速下這層氧化膜較為穩(wěn)定致密，會保持金屬在系統(tǒng)介質(zhì)中的腐蝕速率在一個較低的水平，阻礙氧化的進一步加深，對金屬起到保護作用。但是在較高的流速環(huán)境下，鐵磁性氧化膜會逐漸溶解，導致管道壁厚的減薄[3]。鐵磁性氧化物的溶解可用圖5來說明。文丘里管喉道表面附著一層鐵磁性氧化物，靠近喉道表面區(qū)域(近表面區(qū)域)的給水因為表面摩擦力較大，流速較慢，但是遠離喉道表面區(qū)域的介質(zhì)流速非?？欤虼思幢憬砻鎱^(qū)域的擴散Fe2+濃度已經(jīng)達到飽和，也會不斷被遠表面區(qū)域的給水所稀釋，由此導致的鐵磁性氧化物的溶解是隨著機組運行而持續(xù)不斷的過程。此外，部分溶解后的鐵磁性氧化物為疏松多孔結構，失去了對文丘里管基體的保護作用，流體介質(zhì)可以深入接觸喉道表面金屬基體，使得喉道表面的金屬并未因氧化層的覆蓋而減弱參與化學反應的進程，仍會持續(xù)不斷的生成氧化物并伴隨氧化物的溶解，導致金屬基體的消耗和喉道尺寸不斷擴大。

從微觀化學角度考慮，當高溫的給水以較大流速沖擊喉道表面時，氣-液兩相高溫環(huán)境下會伴隨如下界面反應：

3Fe+4H2O(蒸汽)=Fe3O4+4H2↑

2Fe+O2=2FeO

其中,FeO又會氧化成Fe2O3，并與Fe3O4混合成鐵磁性顆粒，隨主給水文丘里管運行年限的延長，逐漸產(chǎn)生并累積覆蓋于喉道表面。

由于主給水文丘里管的工作環(huán)境為高溫高壓(約220 ℃，7 MPa)、大流量(約1 100 t/h)的汽水環(huán)境，文丘里管喉道材質(zhì)不含鉻元素，滿足FAC發(fā)生的客觀條件，使得喉道容易遭受FAC的影響。當鐵磁性氧化膜生成并附著在文丘里管喉道表面的速度與其溶解速度相等時，鐵磁性氧化膜的總體厚度趨于穩(wěn)定。因此，F(xiàn)AC的主要機理在于高溫高壓下鐵磁性氧化物的溶解作用，而不僅僅是流體介質(zhì)對于氧化膜的機械破碎。

文丘里管的FAC的發(fā)生與介質(zhì)的化學成分、工作溫度、介質(zhì)流速以及設備制造過程中的選材控制、幾何形貌密切相關。

3.2 介質(zhì)化學成分的影響

電站二回路介質(zhì)的酸堿度、雜質(zhì)元素含量直接影響FAC發(fā)生的速率。研究表明，提高系統(tǒng)介質(zhì)的pH值可以有效抑制FAC的發(fā)生過程，當pH值達到9時腐蝕過程即可顯著被抑制，當pH值接近10時，F(xiàn)AC最為輕微。目前，國內(nèi)核電、火電廠通常采用AVT水化學技術，利用加氨的方法來將給水的pH值提高到9左右。但該技術的適用性較差，對水的雜質(zhì)元素含量十分敏感，主給水系統(tǒng)的高溫環(huán)境下容易因為揮發(fā)等一系列因素最終導致給水的pH值逐漸下降，降低了抑制主給水系統(tǒng)FAC的作用。此外，文丘里管上游的大口徑泵、閥類設備眾多，相關的泵、閥設備維修作業(yè)過程中可能因為潤滑劑、清洗劑、防腐劑等化學品的使用不當，向系統(tǒng)中引入Cl-等雜質(zhì)元素。Cl-的穿透能力強，能夠穿透致密金屬氧化膜上極小的孔洞并與金屬基體反應，形成可溶性的化合物，導致致密氧化膜與基體的附著能力下降，使金屬對FAC更加敏感。

3.3 制造過程中合金元素的影響

實踐表明，為了提高流體機械的抗FAC能力，通常要提高機械設備鉻合金元素的含量。法國的核電廠曾出現(xiàn)過因介質(zhì)長期沖蝕導致的主給水文丘里管穿孔的事件。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文丘里管穿孔的根本原因在于制造收縮段時所用合金鋼的含鉻量偏低而導致其抗沖蝕能力不足。后續(xù)選材過程中采用了較高含鉻量的合金鋼材料重新制造文丘里管并進行更換[4]。研究表明，鉻合金元素主要通過影響氧化膜的種類、氧化膜的溶解度從而影響FAC的形成過程。當材料中鉻元素含量(質(zhì)量分數(shù))達到0.5%時，相同工況下FAC速率會降到碳鋼FAC速率的10%，這主要是因為隨著碳鋼中鉻元素的加入，部件表面的氧化物由Fe3O4轉(zhuǎn)變?yōu)镕eCr2O4。FeCr2O4強度極高且穩(wěn)定致密，對基體能起到很好的保護鈍化作用，具有較好的抗FAC的能力。本次文丘里管的喉道組件由20G鋼拼焊而成，其主要合金元素的種類及含量如表2所示，不含有鉻合金元素，文丘里管的喉道表面只能形成Fe3O4氧化物薄膜，它在高溫高流量的主給水系統(tǒng)中很容易溶解，因而不具有抗FAC的性能。

表2 文丘里管喉道材質(zhì)組分

3.4 溫度的影響

根據(jù)印度核電廠的研究數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)AC發(fā)生的溫度大約在100 ℃～260 ℃之間[5]。主給水文丘里管的運行溫度區(qū)間為220 ℃左右，恰好處在FAC敏感溫度區(qū)間范圍內(nèi)。無論是在單相還是雙相水環(huán)境中，不同pH值環(huán)境下的FAC速率隨溫度的變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出腐蝕速率隨溫度先升高后下降的趨勢，在150 ℃左右腐蝕速率達到最大。為減緩FAC腐蝕的發(fā)生，電站運行期間應盡量減少升降功率階段主給水系統(tǒng)在150 ℃的溫度范圍停留的時間。

3.5 設備幾何形貌的影響

文丘里管的喉道位于上游收縮段與下游擴散段的中間，存在幾何結構上的突變。依據(jù)水力學連續(xù)性方程，Q=VA，流量=斷面平均流速×斷面截面積。文丘里管內(nèi)各管段流量一定，流速和面積成反比，因此喉道處的流速存在激增的情況，湍流加劇。介質(zhì)的流速越高，文丘里管喉道的局部擾動就越大，處于離子態(tài)的鐵元素發(fā)生擴散越容易，因此FAC的速率越高。較大的流速會使文丘里管喉道表面與介質(zhì)接觸面的層流層變薄，有利于Fe2+向介質(zhì)中擴散，此外還會導致水中的溶解氧向金屬基體擴散，加速氧化腐蝕的進程。此外水的機械作用也更加顯著，破碎致密氧化物薄膜，使氧化向金屬基體深層進行，導致FAC進一步擴展。

由于文丘里管喉道材質(zhì)為碳鋼20G，不含有鉻、鉬、銅等有助于抑制FAC的合金元素，在近27年的運行周期中FAC的累積效應足以使文丘里管喉道尺寸發(fā)生明顯擴大，影響到流量測量的準確性。喉道尺寸變化對于文丘里管流量測量的精度有較大的影響。

4 喉道尺寸對流量測量影響的數(shù)學分析

因為ρ為常數(shù)，p1，p2由壓力儀表直接讀取，假設該時刻的壓力表讀數(shù)穩(wěn)定且準確，所以有：

因為文丘里管入口段直徑未變，所以S1與出廠設計值一致，視S1為常數(shù)。

其中，函數(shù)y為關于x的增函數(shù)，同理主給水流量Q為關于喉道面積S2的增函數(shù)。

由于FAC腐蝕的影響，文丘里管喉道面積實際已經(jīng)擴大，即核電站主給水流量實時計算系統(tǒng)中的S2輸入值(為出廠設計值)同實際值相比偏小，所以主給水流量Q同實際值相比也偏小，呈現(xiàn)出主給水流量指示偏低的現(xiàn)象。

5 FAC控制措施

主給水文丘里管指示偏低的根本原因是FAC腐蝕導致喉道通道面積的擴大。文丘里管喉道FAC腐蝕的預防要從設備設計、設備服役環(huán)境兩方面綜合考慮，主要包括材料、水化學環(huán)境、系統(tǒng)溫度和壓力等幾個方面。鉻、鉬等合金元素可以在金屬表面生成致密的氧化膜，阻礙Fe2+溶解，起到保護作用。當鉻的含量(質(zhì)量分數(shù))超過0.1%時即可顯著削弱FAC腐蝕的影響。此外，控制二回路水質(zhì)的pH值在一個較高的范圍內(nèi)，可以抑制H+參與鐵磁性氧化物的中間生成過程。由于主給水系統(tǒng)的溫度和壓力由反應堆功率和汽輪機出力等因素綜合決定，無法做出變更，只能從文丘里管喉道材質(zhì)選擇和核電廠二回路水化學控制方面入手。目前核電廠二回路通過加入氨、聯(lián)氨、乙醇胺等堿性物質(zhì)來提高系統(tǒng)介質(zhì)pH值。管道系統(tǒng)的布局及其配置也是FAC腐蝕的一個重要促成因素，對于在運行核電廠，改變現(xiàn)有管道布局是困難的，但可以在滿足測量精度要求的前提下盡量選擇收縮段較長的文丘里管，以減少湍流、直接管壁沖擊、流體渦流等造成的FAC加劇。核電廠于OT118停堆大修期間，更換了新的文丘里管，其喉道材質(zhì)由碳鋼A42CP替換為13CrMo4-5(Cr的質(zhì)量分數(shù)為0.7%～1.15%)，通過大幅度提高Cr的含量來提高喉道的耐FAC腐蝕能力，經(jīng)過近4年的運行驗證，未再發(fā)現(xiàn)FAC腐蝕繼續(xù)發(fā)生的顯著跡象。

6 結語

文丘里管作為一種差壓式流量計，在核電廠的主給水流量測量中有著重要的應用。主給水文丘里管長期運行過程中，F(xiàn)AC腐蝕會導致其喉道尺寸逐漸擴大，由于文丘里管流量測量值與喉道面積正相關，因此呈現(xiàn)出流量測量結果偏低的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^加入氨類等堿性物質(zhì)提高核電廠二回路水質(zhì)的pH值，并在文丘里管喉道制造過程中選用Cr含量較高的合金，合理選擇文丘里管的結構等措施來增強耐FAC的能力，提高文丘里管的設備可靠性。