核電廠蒸發(fā)器汽水分離器旋流葉片共模評(píng)估

尉言輝，高路楊，張 侖，郁光廷

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223）

1 事件概述

2019 年，國(guó)外某核電廠大修期間，在蒸汽發(fā)生器（SG）傳熱管檢查過(guò)程中出現(xiàn)了異常信號(hào)，發(fā)現(xiàn)傳熱管支撐板頂端有金屬碎片異物，尺寸約8.9 cm×7.8 cm×（0.3～0.9）mm。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)該異物來(lái)自于SG 汽水分離器一級(jí)分離葉片處，經(jīng)失效分析確認(rèn)為汽水分離器發(fā)生了FAC（Flow-Accelerated Corrosion，流體加速腐蝕）。汽水分離器腐蝕情況如圖1 所示。

圖1 汽水分離器一級(jí)分離葉片腐蝕情況

2 流動(dòng)加速腐蝕機(jī)理

FAC 是金屬管道材料失效的一種腐蝕形式，它區(qū)別于典型的沖蝕，是由電化學(xué)過(guò)程和物理相互作用而形成。電化學(xué)過(guò)程是造成FAC 的主要成因，而物理（流體動(dòng)力學(xué)）對(duì)FAC的具有促進(jìn)作用。單相液流或汽液兩相流將碳鋼或者低合金鋼表面的保護(hù)性Fe3O4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，表現(xiàn)為碳鋼管或低合金管的局部減薄。

基體材料中的鐵元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子一般要經(jīng)歷3 個(gè)過(guò)程：①基體中的單質(zhì)Fe 在基體表面失去電子轉(zhuǎn)化為Fe2+；②轉(zhuǎn)化成的Fe2+發(fā)生水合作用并轉(zhuǎn)化為磁鐵礦膜（Fe3O4），或者直接通過(guò)氧化膜擴(kuò)散到溶液中；③受溶液中H+的作用，氧化膜（Fe3O4）在氧化膜/水界面處發(fā)生溶解，F(xiàn)e3O4再次溶解形成Fe2+、FeOH+、HFeO2-等，并最終擴(kuò)散到溶液中（圖2）[1-2]。

圖2 FAC 機(jī)理模型

影響FAC 的因素眾多，綜合起來(lái)主要有流體動(dòng)力學(xué)因素、材料因素及環(huán)境因素。

（1）流體動(dòng)力學(xué)因素，包括流體流速、管道表面粗糙度、管路幾何形狀、蒸汽品質(zhì)或者雙相流體中的濕度等。在管道如彎頭、三通、大小頭、限流段和孔板下游等湍流部位，易發(fā)生FAC。

（2）材料因素，主要是指鋼的化學(xué)成分。影響較明顯的合金元素主要是Cr，通常質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Cr 含量就能使FAC 速率降至很低，甚至可以忽略。另外，合金鋼中Cu 和Mo 的存在也能降低FAC 速率。

（3）環(huán)境因素，包括溫度、pH 值、氫和氧的濃度、氧化—還原電位、水中雜質(zhì)等。

3 SG 汽水分離器運(yùn)行工況分析

國(guó)外某核電廠蒸汽發(fā)生器汽水分離器采用CAP-2 型，發(fā)生FAC 的部位為一級(jí)分離旋流葉片頂板，該部位碳鋼材料不含Cr，因此該部位是FAC 的敏感區(qū)。另外，汽水分離器內(nèi)的流質(zhì)為飽和濕蒸汽，干度為10%～20%，運(yùn)行溫度為200 ℃，處于FAC 發(fā)生的溫度區(qū)間，并且汽水分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彎曲部位較多，易產(chǎn)生湍流，此處的保護(hù)性氧化膜易遭到破壞，以此汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片處發(fā)生FAC 的情況較多。

4 模型評(píng)估腐蝕速率

為驗(yàn)證SG 汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片的腐蝕狀況，采用Chexal—Horowitz 模型進(jìn)行減薄速率的分析計(jì)算。Chexal—Horowitz 模型的表達(dá)式為[3]：

式中，F(xiàn)1（T）為溫度影響因子；F2（AC）為合金成分（如Cr、Cu、Mo）影響因子；F3（MT）為傳質(zhì)影響因子；F4（O2）為氧濃度影響因子；F5（pH）為pH 值影響因子；F6（G）為幾何構(gòu)型影響因子；F7（α）為含汽率影響因子；F8（N2H4）為聯(lián)氨濃度影響因子。該公式中各影響因子均通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行工況數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合定量運(yùn)算而來(lái)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

4.1 流場(chǎng)計(jì)算

流場(chǎng)計(jì)算建立單個(gè)汽水分離器幾何模型，分析其運(yùn)行工況時(shí)分離器曲臂沿高度方向各截面的流速分布（圖3）。

圖3 汽水分離器幾何結(jié)構(gòu)模型

分離器曲臂各截面氣體流速分布如圖4 所示。發(fā)生FAC 的部位在一級(jí)分離旋流葉片頂板處，因此從單筒來(lái)看，選取截面Y6 來(lái)計(jì)算流速分布值。除了分析單筒外，還要考慮66 只分離器的分布對(duì)其負(fù)荷的影響。圖5 為66 只分離器布置的俯視圖及其對(duì)應(yīng)的整體負(fù)荷分布。從圖中可以看出，整體SG中各個(gè)分離器存在明顯的負(fù)荷不均勻。圖4f）中，截面Y6上大致相應(yīng)位置的流速值（約2 m/s），為單筒在額定運(yùn)行工況下的計(jì)算值，考慮整體負(fù)荷不均勻性的影響，該數(shù)據(jù)在局部的一些分離器（如冷側(cè)靠?jī)?nèi)圈等）會(huì)更大。目前沒(méi)有負(fù)荷偏差大小的數(shù)據(jù)做參考，為使模型輸入的速度范圍盡可能覆蓋最大速度，采用分離器試驗(yàn)臨界負(fù)荷的方法來(lái)確定最大速度，這種方法相對(duì)較為保守。在本次計(jì)算中，假定該分離器性能試驗(yàn)的臨界負(fù)荷為250%的額定負(fù)荷，分離器頂板流速確定范圍為2.0～5.2 m/s。

圖4 Y1～Y6 各截面汽體流速分布

圖5 66 只分離器布置的俯視圖及其對(duì)應(yīng)的整體負(fù)荷分布

4.2 水化學(xué)參數(shù)

由于無(wú)法獲取蒸汽發(fā)生器二次側(cè)大空間水質(zhì)參數(shù)，故將SG汽水分離器近似為二回路汽水分離器（MSR）處理。對(duì)應(yīng)的水化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FAC 模型水化學(xué)參數(shù)

4.3 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)圖6 搭建汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片計(jì)算構(gòu)型，表2為在濕蒸汽不同焓值、不同速率條件下，一級(jí)分離葉片不同部位的FAC 速率計(jì)算值。從表2 可以看出，減薄速率嚴(yán)重的部位為旋流葉片的頂部，最快達(dá)到0.217 mm/y。驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際腐蝕情況一致。其中，減薄速率為根據(jù)旋流葉片頂板處流質(zhì)不同流速計(jì)算所得。

表2 國(guó)外某電廠SG 汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片處FAC 速率 mm/y

圖6 汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片計(jì)算構(gòu)型

5 國(guó)內(nèi)類似電站共模分析

與國(guó)外某核電廠相比，國(guó)內(nèi)某核電站機(jī)組SG 汽水分離器有類似設(shè)計(jì)，但是區(qū)別在于材料中的Cr 含量有所提高，達(dá)到0.08%～0.17%，其他成分基本相同。根據(jù)此材料成分進(jìn)行減薄速率的分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)結(jié)果如表3 所示。

表3 國(guó)內(nèi)某電廠SG 汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片處FAC 速率 mm/y

Cr 含量提高后，部件的減薄速率明顯下降，最敏感的部位頂板的速率為0.002～0.018 mm/y。隨著腐蝕時(shí)間增加，材料基體表面和內(nèi)部滲出的Cr 形成尖晶石FeCr2O4保護(hù)層。該保護(hù)層在高溫、高壓水中的溶解度和體積較Fe3O4低、致密性更佳，是碳鋼材料抗FAC 的主要因素之一[4]。

經(jīng)確認(rèn)，國(guó)內(nèi)同類型核電站于大修期間對(duì)蒸發(fā)器二次側(cè)一級(jí)汽水分離器旋流葉片實(shí)施了測(cè)厚檢查。檢查方法為超聲測(cè)厚法，檢查對(duì)象為蒸汽發(fā)生器二次側(cè)中心孔周邊的6 個(gè)旋流葉片頂板，旋流葉片頂板的名義壁厚為2.0 mm。根據(jù)檢查結(jié)果可知，6 個(gè)頂板減薄量極小，減薄速率最大為0.012 mm/y，與計(jì)算預(yù)測(cè)值一致（表4）。

表4 一級(jí)汽水分離旋流葉片檢查結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外核電廠汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片部位的模擬驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果顯示，頂板和葉片處FAC 速率較筒體高，頂板處最高達(dá)到0.217 mm/y，與實(shí)際腐蝕情況一致。國(guó)內(nèi)同類型電廠汽水分離器一級(jí)分離旋流葉片部位FAC 的腐蝕與國(guó)外電廠腐蝕趨勢(shì)一致，頂板和葉片處FAC 速率較筒體高。但由于合金中Cr 成分顯著提高，整體腐蝕速率較小，最高為頂板處0.012 mm/y，與實(shí)際大修結(jié)果一致。電廠的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和模擬分析均表明，對(duì)于核電廠蒸汽發(fā)生器而言，提高汽水分離器材料的Cr 含量能夠有效降低FAC 速率。