核电机组二回路碳钢给水管道节流孔板下游流动加速腐蚀数值模拟研究

黄丽 逯菲

摘 要：核电机组二回路的汽水输运管道大量使用碳钢，流动加速腐蚀（FAC）是影响管道安全性的重要因素之一。FAC过程中，管道内壁保护性氧化膜被流动工质加速分解和破坏，无法有效抑制管壁基体的持续 氧化。管道持续减薄，并可能在机组运行过程中突然破裂，严重影响机组安全经济运行。在弯管、节流孔板和T形三通管等流场剧烈变化的奇点下游，最易发生FAC事故。工质流经这些管道部件时，流向的剧烈变化及二次流不稳定性发展等因素，致使FAC速率显著增加。发现孔板和阀门的结构特性促使下游湍流靠近壁面，提高了壁面的传质速率。基于此，本篇文章对核电机组二回路碳钢给水管道节流孔板下游流动加速腐蚀数值模拟进行研究，以供参考。

关键词：核电机组二回路碳钢;给水管道;节流孔板;下游流动;加速腐蚀数值模拟

引言

加氧处理具有有效抑制给水系统、高加疏水系统流动加速腐蚀、减缓锅炉受热面结垢速率、延长锅炉化学清洗周期、抑制高加疏水调节阀堵塞等优势，已成为超超临界机组优选的水处理化学工况。目前加氧处理在国内外火力发电厂中得到了广泛的应用。有关专家研究分析其根本原因为流动加速腐蚀产生的腐蚀产物沉积，腐蚀产物主要为Fe3O4。而解决以上问题的根本方法是采用加氧处理工艺，使金属表面形成致密的Fe2O3及Fe3O4双层保护膜，该保护膜对水汽系统管道及热力设备具有钝化保护作用。某机组实施给水、高加疏水加氧处理，为机组的安全运行提供重要保障。

1FAC的机理

美国电力研究院EPRI把流动加速腐蚀定义为：“碳钢或低合金钢表面正常氧化保护层溶解至水/汽水混合物流的过程”据统计1986年至1997年欧美各核电站发生多起管路系统和过流部件失效的事故，最终定性为因FAC引起的失效方式。FAC是造成核电站管路系统及其他过流部件频繁失效的主要原因，尤以压水堆核电站二回路管路系统为严重。FAC是一个化学腐蚀的过程，从动态的角度上理解，碳钢表面覆盖了一层Fe3O4保护膜，在远离这层保护膜的区域的主流区的流速较高，而靠近氧化膜的流体边界层的流速较低，边界层中已经溶解的铁不断地向主流区中迁移，水中溶解的铁处于不饱和状态，氧化膜中的铁就会溶解到未饱和的边界层中，从而使Fe3O4氧化膜以一定的速率溶解，而高速流动的水又将迁移于水中溶解铁带走，从而产生了碳钢表面的不断腐蚀。

2FAC的影响因素

2.1蒸汽含汽率对FAC的影响

蒸汽含汽率对FAC的影响可以通过雷诺数的计算公式反应出来，流体为汽液两相流时，雷诺数的计算公式为：Re= （1）

流速的计算公式为：

当流体为单相液体流时，Q为工质流量，χ为蒸汽的质量，α为蒸汽的体积分数。而流体是汽液两相流，且蒸汽含汽率较小时，由于α>χ，此时的Re比单相液体流的Re大，说明紊流程度较大，FAC腐蚀速率也会较大。而蒸汽含汽率进一步增大时，虽然Re会增大，但是由于环状流（大多数的液体以膜状贴着管壁流动，而气体夹带着雾沫在管道中心高速运动）的形成，管壁表面的边界层更加稳定，物质扩散阻力增加，FAC速率降低。当流体是单相蒸汽流时，α=1，此时电化学腐蚀不发生，FAC几乎不存在。所以随着蒸汽含汽率的增大，FAC的速率是先增大后减小。

2.2溶氧量对FAC的影响

在纯净度极高的给水中，溶解氧会产生钝化作用。当给水采用加氧处理（OT）时，充足的氧量能让金属表面形成稳定的Fe3O4内伸层。且通过内伸层的微孔通道到达表面的Fe2+，一部分直接形成稳定的Fe3O4外延层;另一部分氧也会进入到Fe3O4孔隙与其中的F2+反应得到Fe2O3，使微孔变小或者封闭，Fe2+扩散的速率随之减小。所以，OT处理最终会使钢表面拥有致密稳定的“双层保护膜”，流动加速腐蚀得到有效抑制。通过对某电厂机组实测数据的分析，得到Fe2+浓度随溶解氧含量的变化情况，Fe2+的浓度随溶解氧含量增加而减小，FAC速率减小。溶解氧含量大于45μg/L，Fe2+的浓度将小于0.09μg/L，说明此时FAC得到了有效抑制。

3计算结果与分析

3.1溶解度

水化学条件选取核电机组二回路管道运行的温度壓力范围，结合FAC高发的温度范围。具体取值如下：温度为150℃，压力为0.95MPa，常温条件（25℃）下流体的pH为9.4，150℃条件下流体的pH为6.86，H2浓度为1.5×10-3mol/L。

3.2FAC速率

取入口流速为0.8m/s、2.0m/s和5.0m/s，分别计算出倒角角度为15°、30°、45°、60°和90°5种孔板下游的流场分布，并计算出Sh。根据Sh与传质系数的关系，计算出传质系数。当流体入口流速一定时，倒角角度为45°能减缓孔板对流场带来的变化，下游流场的变化较为平稳，孔口的流体能更好地和周围流体发生动量交换，因此下游的动量交换减小，传质系数减小。当倒角角度小于或者大于45°时，孔板下游流场变化增大，孔口的动量交换减小，下游的动量交换加剧，因此下游传质系数增加。倒角角度的改变对传质系数峰值位置的影响不大。随着倒角角度的增大，传质系数峰值位置远离孔板。

4建议分析

（1）在机组加氧处理稳定运行中，调整除氧器连续排气门至微开状态（开度30%），一方面使除氧器得到更有效保护，另一方面可减少除氧器的排汽及热量损失;同时关闭高压加热器连续排汽门，可以避免疏水中加入的氧气因排汽消失以及氨浓度因排汽而减少，以有利于抑制高加疏水系统的流动加速腐蚀。（2）鉴于加氧处理能够有效抑制流动加速腐蚀、延长精处理混床周期制水量、减缓锅炉受热面结垢速率、抑制高加疏水调节阀堵塞等优点，建议同类机组锅炉水处理化学工况采用加氧处理。（3）已进行给水加氧处理的机组，建议改造为全保护加氧处理工艺，以实现对机组热力设备的全面保护，保证机组安全稳定运行。

结束语

防止核电站常规岛设备和管道FAC的发生是关系到核电站长期安全可靠运行的重要问题。要结合核电厂项目的设计情况，在工程设计中采取有效的措施来应对流动加速腐蚀：1）在容易发生FAC的管道系统中采用含有一定铬元素的低合金钢或控制最低铬含量的碳钢材料。2）严格控制相关管线中的介质流速，综合考虑运行的安全性和经济性，合理地进行管径和壁厚的选取。

参考文献

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