流动加速腐蚀对碳钢管道的影响

于　涛

(国核电力规划设计研究院，北京　100095)

流动加速腐蚀对碳钢管道的影响

于涛

(国核电力规划设计研究院，北京100095)

摘要：流动加速腐蚀是电站内常见的一种腐蚀类型。由于影响流动加速腐蚀的因素较多，很难对流动加速腐蚀作出准确预测。对影响流动加速腐蚀的各种因素分别进行论述，并据此提出了理论计算公式。

关键词：高温汽水管道；流动加速腐蚀；含氧量；PH值

1流动加速腐蚀对电站管道的影响

在高温汽水环境下，电站内碳钢管道的主要腐蚀类型为流动加速腐蚀(FAC)、点蚀、缝隙腐蚀和疲劳损伤。FAC是指单相液流或汽液双相流将碳钢或者低合金钢表面的保护性氧化膜溶解，而造成氧化膜减薄并引起碳钢或者低合金钢腐蚀速率增大的现象。

国内外发生过多起管道破裂失效事故，造成了重大经济损失，甚至造成了人员伤亡。2004年美滨核电站3号机组冷凝管线某孔口下游由于FAC导致管道破裂，导致4人死亡。日本女川核电站2号机组给水管道弯头处发生湿蒸汽冲刷腐蚀，导致管壁穿孔。文献[1]对近年国内外管道腐蚀失效案例进行过统计分析，结果表明FAC引起的腐蚀案例占总数的25%，FAC已成为管道腐蚀失效的主要原因。因此，准确预测和防治FAC是电站安全运行中的关键问题。

2FAC成因及影响因素

电站中，锅炉对给水的PH值和含氧量有一定要求，为满足设备制造商的要求，通常会对给水系统进行加药和除氧处理，以维持较高PH值和较低含氧量的环境。在高温水中，碱性水会腐蚀金属基体，释放出Fe2+，并在金属表面生成一层保护性的Fe3O4。但是Fe3O4具有渗透性和微溶性，会在H+作用下逐渐溶解。当腐蚀膜生成和腐蚀膜溶解达到平衡时，FAC腐蚀速率稳定。

腐蚀膜减薄主要是化学溶解而非流体的机械作用，在单相流环境中，FAC包括3个关键过程：氧化膜的生成；腐蚀产物通过扩散层扩散到溶液中；氧化膜的溶解。

无O2环境下，FAC反应过程包括：

(1)氧化膜的生成

Fe+2H2O→Fe2+2OH-+H2

Fe2+2OH-↔Fe(OH)2

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

(2)Fe2+和H2在多孔膜中的扩散

(3)氧化膜的溶解

FAC腐蚀过程与水化学、材料组成和流动特性紧密相关，其主要影响因素如图1所示[2]。

图1　影响FAC的主要因素

由图1可以看出，影响FAC的因素非常多，可总结为：管件的材料(Cr元素含量)、化学环境(PH值、含氧量)、流体的温度和速度、管件形状、流体动力特性等。

(1) 管件的材料。根据电站运行经验，不锈钢和Cr-Mo钢与碳钢相比，不易发生FAC。且管件材料中Cr含量达到0.2～0.3%时，腐蚀速率就已明显降低。因此，电站设计时，对于易发生FAC的管件，应优先选用不锈钢、P22、P11或HD245Cr等抗腐蚀性能比较强的材料，并对主要管道的FAC进行监测。

(2) 化学环境。当水中O2浓度升高时，Fe3O4会逐步氧化成Fe2O3，腐蚀膜的保护性会增强。为了减少氧化膜的溶解，向水中注入少量的O2促进膜生成，可以显著地降低FAC腐蚀速率[3]。另外，注入新型碱化剂(如乙醇胺，ETA)也会显著的改变溶液腐蚀特性，从而促进腐蚀膜的生成。根据对运行电厂的监测，常规火电给水和凝结水的含氧量维持O2<5ppb，pH>9时，碳钢的腐蚀速率较低。

(3) 流体温度。实验室研究表明，在80～280℃时FAC腐蚀比较严重。在单相流体时，FAC腐蚀速率最严重的范围是130～210℃。在两相流体时，FAC腐蚀速率最严重的范围是50～200℃。因此，在壁厚计算时，应对该温度范围内的管道考虑一定的腐蚀余量，以保证电站运行期间不发生管道失效事故。

(4) 管件形状。管道的设计应在满足设计要求和现场条件的情况下，减少局部的湍流。电站运行中发现三通、弯头、现场焊缝的局部位置发生腐蚀非常明显。在这些管件的下游3～5倍的直径长度范围内的金属损耗非常严重。管道的布置应该避免管件与管件的近距离连接，采用独立安装，各管件之间的距离要大于3～5倍管道直径。在易发生腐蚀的系统管道中，应最大限度的采用弯管、大弯曲半径弯头，如果可能，尽量减少支路连接和三通。

(5) 流体动力特性。FAC发生在流体传质系数高的情况。流体传质取决于水力条件和可溶解铁在边界层的扩散能力。如：大小头、控制阀、孔板和焊缝区域、控制阀和孔板下游的管道容易发生由汽化和闪蒸等机械破坏引起的腐蚀速率的增加。且流速越低，湍流越少，管道和部件的布置对FAC腐蚀速率的影响就越小。

3FAC腐蚀速率的计算

通过对FAC影响因素的分析，可得出如下理论计算公式：

V=FM×FG×FT×FC×FR

(1)

式中V——腐蚀速率，mm/年；FM——传质系数 ；FG——几何系数；FT——温度系数；FC——水力条件系数；FR=钢成分系数。

4结语

本文得到的FAC腐蚀速率计算公式是理论公式，相关参数和图表还需通过实验获得。目前我国缺少相关数据或图表，导致难以准确预测FAC速率。因此，应研究管道材料流动加速腐蚀机理和膜溶解特性、分析典型结构近壁面传质规律、建立基于三维仿真的管道结构FAC预测技术、提出有效的降低腐蚀速率方法。

参考文献：

[1]刘摇，肖袁，赵建仓，等.核电厂管道及焊接接头失效案例综述[J]. 失效分析与预防,2013,8(5):300-305.

LIUXiao,ZHAOJian-cang,WANGGan-gang,etal.Failureanalysisofpipelinesandweldingjointsinnuclearpowerplant[J].FailureAnalysisandPrevention,2013，8(5):300-305.

[2]陈耀东. 流动加速腐蚀引起的管壁减薄分析及验证[J]. 金属学报, 2011, 47(7):784-789.

MasanoriNaitoh,CHENYao-dong,ShunsukeUchida,etalAnalysisandvalidationofpipewallthinningduetoflowacceleratedcorrosion[J].ActaMetallurgicaSinica,2011，47(7):784-789.

[3]毕法森，孙本达，李德勇. 采用给水加氧处理抑制流动加速腐蚀[J]. 热力发电, 2005，34(2):52-53.

BIFa-shen,SUNBen-da,LIDe-yong.Supressionofflow-acceleratedcorrosionbyusingoxygen-addingtreatmentofthefeed-water[J].ThermalPowerGeneration,2005,34(2):52-53.

(本文编辑：赵艳粉)

Influence of Flow Accelerated Corrosion on Carbon Steel Pipes

YU Tao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

Abstract:Flow accelerated corrosion is common in power station. Due to various influencing factors for flow accelerated corrosion, it is difficult to accurately predict flow accelerated corrosion. This paper analyzes the influencing factors for flow accelerated corrosion, and accordingly puts forward the theoretical computing formula.

Key words:high-temperature steam-water pipe; flow accelerated corrosion; oxygen content; PH value

DOI：10.11973/dlyny201603022

作者简介：于涛(1983)，男，工程师，要从事核电站热力系统设计工作。

中图分类号：TG172

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0357-02

收稿日期：2016-02-18