文丘里管喉道腐蚀原因分析及其影响

李智鹏

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

0 引言

文丘里管属于差压式流量计的一种，利用流体流经喉道产生的前后压差进行流量测量，结合压力测量仪表广泛应用于大管径流体控制与计量[1]。传统文丘里管在组成上包括上下游直管段、圆锥收敛部、喉道、圆锥扩散段及其压力变送器等部分。尽管随着科技的发展，流量测量仪表的种类发展日新月异，先后出现了超声波流量计、电磁流量计等新型流量测量装置，然而文丘里管依然以其性能稳定、抗干扰能力强、应用广泛、耐高温高压、采购成本低等优点而在发电厂、石油化工、市政污水处理、供气供暖等行业的管道流量测量中占据着非常重要的位置。在某核电厂，主给水系统的流量测量依然采用文丘里管这种经典的差压测量方式[2]。

主给水系统是电厂二回路系统的重要组成部分。某核电厂主给水系统的文丘里管自投入运行以来，累计运行年限接近27 a，出现了主给水的流量测量值逐年下降的趋势。由于主给水的作用是其被加热成蒸汽后，推动汽轮机叶轮转动，进而带动发电机发电，所以主给水流量大小直接关系到核电机组的发电能力。在核电厂额定发电功率未变的情况下所需主给水的流量逐年降低，意味着发电机组的设备工作效率在逐年提高，这与实际情况明显不符。为了探明主给水系统文丘里管指示偏低的根本原因，需要对文丘里管进行拆解，并对其内部结构和部件进行检查。

1 问题描述

核电厂主给水系统用来向蒸汽发生器输送给水。供水量由给水流量控制系统进行调节，维持蒸发器二次侧水位高度在一个随汽轮机负荷变化所预定的基准值附近波动。主给水系统主要由主给水快关调节阀、主给水隔离阀、文丘里管流量测量装置、温度仪表、压力仪表等设备组成，除文丘里管外，主给水系统无其他备用流量测量仪表。主给水系统组成示意图如图1所示，主给水文丘里管(设备编号FE4503A)的主要运行参数见表1。

表1 主给水文丘里管主要运行参数

主给水文丘里管配合压力仪表测量主给水流量。文丘里管自投入运行近27年来，因文丘里管的安装方式为焊接且无内部检查窗，一直无法对文丘里管进行检查维修和流量标定。根据电站监测到的数据显示，通过文丘里管测得的主给水流量值存在逐年下降的趋势，以A列主给水系统为例，其流量从C15发电周期的约910 t/h逐渐下降到C17发电周期的约890 t/h，如图2所示。

2 设备拆解及内部组件检查

为彻底探明主给水文丘里管指示偏低的根本原因，于2018年核电厂大修期间对主给水系统文丘里管进行了切割、拆解。根据拆解的结果来看，文丘里管的上下游直管段、圆锥收敛段、圆锥扩散段等组件形态完好，无明显变形、腐蚀、裂纹等缺陷，但是文丘里管的喉道直径存在明显的扩大现象，轮廓呈现出不规则的椭圆形，轮廓最大直径达到φ146 mm，超过设备原始出厂设计值φ144.5 mm±0.2 mm，如图3所示。文丘里管喉道表面覆盖一层黑色的铁磁性氧化物，并有表面凹坑，具有明显的流速加速腐蚀(Flow Accelerated Corrosion,简称FAC)特征，如图4所示。

3 文丘里管FAC成因

3.1 基本概念

FAC是导致金属管壁减薄的最主要原因。世界上许多国家都对FAC的腐蚀机理进行了系统而深入的研究，取得了显著的成果。碳钢和低合金钢在流动的水中或湿蒸汽条件下表面会形成铁磁性氧化膜。常温、低流速下这层氧化膜较为稳定致密，会保持金属在系统介质中的腐蚀速率在一个较低的水平，阻碍氧化的进一步加深，对金属起到保护作用。但是在较高的流速环境下，铁磁性氧化膜会逐渐溶解，导致管道壁厚的减薄[3]。铁磁性氧化物的溶解可用图5来说明。文丘里管喉道表面附着一层铁磁性氧化物，靠近喉道表面区域(近表面区域)的给水因为表面摩擦力较大，流速较慢，但是远离喉道表面区域的介质流速非常快，因此即便近表面区域的扩散Fe2+浓度已经达到饱和，也会不断被远表面区域的给水所稀释，由此导致的铁磁性氧化物的溶解是随着机组运行而持续不断的过程。此外，部分溶解后的铁磁性氧化物为疏松多孔结构，失去了对文丘里管基体的保护作用，流体介质可以深入接触喉道表面金属基体，使得喉道表面的金属并未因氧化层的覆盖而减弱参与化学反应的进程，仍会持续不断的生成氧化物并伴随氧化物的溶解，导致金属基体的消耗和喉道尺寸不断扩大。

从微观化学角度考虑，当高温的给水以较大流速冲击喉道表面时，气-液两相高温环境下会伴随如下界面反应：

3Fe+4H2O(蒸汽)=Fe3O4+4H2↑

2Fe+O2=2FeO

其中,FeO又会氧化成Fe2O3，并与Fe3O4混合成铁磁性颗粒，随主给水文丘里管运行年限的延长，逐渐产生并累积覆盖于喉道表面。

由于主给水文丘里管的工作环境为高温高压(约220 ℃，7 MPa)、大流量(约1 100 t/h)的汽水环境，文丘里管喉道材质不含铬元素，满足FAC发生的客观条件，使得喉道容易遭受FAC的影响。当铁磁性氧化膜生成并附着在文丘里管喉道表面的速度与其溶解速度相等时，铁磁性氧化膜的总体厚度趋于稳定。因此，FAC的主要机理在于高温高压下铁磁性氧化物的溶解作用，而不仅仅是流体介质对于氧化膜的机械破碎。

文丘里管的FAC的发生与介质的化学成分、工作温度、介质流速以及设备制造过程中的选材控制、几何形貌密切相关。

3.2 介质化学成分的影响

电站二回路介质的酸碱度、杂质元素含量直接影响FAC发生的速率。研究表明，提高系统介质的pH值可以有效抑制FAC的发生过程，当pH值达到9时腐蚀过程即可显著被抑制，当pH值接近10时，FAC最为轻微。目前，国内核电、火电厂通常采用AVT水化学技术，利用加氨的方法来将给水的pH值提高到9左右。但该技术的适用性较差，对水的杂质元素含量十分敏感，主给水系统的高温环境下容易因为挥发等一系列因素最终导致给水的pH值逐渐下降，降低了抑制主给水系统FAC的作用。此外，文丘里管上游的大口径泵、阀类设备众多，相关的泵、阀设备维修作业过程中可能因为润滑剂、清洗剂、防腐剂等化学品的使用不当，向系统中引入Cl-等杂质元素。Cl-的穿透能力强，能够穿透致密金属氧化膜上极小的孔洞并与金属基体反应，形成可溶性的化合物，导致致密氧化膜与基体的附着能力下降，使金属对FAC更加敏感。

3.3 制造过程中合金元素的影响

实践表明，为了提高流体机械的抗FAC能力，通常要提高机械设备铬合金元素的含量。法国的核电厂曾出现过因介质长期冲蚀导致的主给水文丘里管穿孔的事件。经调查发现，文丘里管穿孔的根本原因在于制造收缩段时所用合金钢的含铬量偏低而导致其抗冲蚀能力不足。后续选材过程中采用了较高含铬量的合金钢材料重新制造文丘里管并进行更换[4]。研究表明，铬合金元素主要通过影响氧化膜的种类、氧化膜的溶解度从而影响FAC的形成过程。当材料中铬元素含量(质量分数)达到0.5%时，相同工况下FAC速率会降到碳钢FAC速率的10%，这主要是因为随着碳钢中铬元素的加入，部件表面的氧化物由Fe3O4转变为FeCr2O4。FeCr2O4强度极高且稳定致密，对基体能起到很好的保护钝化作用，具有较好的抗FAC的能力。本次文丘里管的喉道组件由20G钢拼焊而成，其主要合金元素的种类及含量如表2所示，不含有铬合金元素，文丘里管的喉道表面只能形成Fe3O4氧化物薄膜，它在高温高流量的主给水系统中很容易溶解，因而不具有抗FAC的性能。

表2 文丘里管喉道材质组分

3.4 温度的影响

根据印度核电厂的研究数据显示，FAC发生的温度大约在100 ℃～260 ℃之间[5]。主给水文丘里管的运行温度区间为220 ℃左右，恰好处在FAC敏感温度区间范围内。无论是在单相还是双相水环境中，不同pH值环境下的FAC速率随温度的变化趋势基本一致，呈现出腐蚀速率随温度先升高后下降的趋势，在150 ℃左右腐蚀速率达到最大。为减缓FAC腐蚀的发生，电站运行期间应尽量减少升降功率阶段主给水系统在150 ℃的温度范围停留的时间。

3.5 设备几何形貌的影响

文丘里管的喉道位于上游收缩段与下游扩散段的中间，存在几何结构上的突变。依据水力学连续性方程，Q=VA，流量=断面平均流速×断面截面积。文丘里管内各管段流量一定，流速和面积成反比，因此喉道处的流速存在激增的情况，湍流加剧。介质的流速越高，文丘里管喉道的局部扰动就越大，处于离子态的铁元素发生扩散越容易，因此FAC的速率越高。较大的流速会使文丘里管喉道表面与介质接触面的层流层变薄，有利于Fe2+向介质中扩散，此外还会导致水中的溶解氧向金属基体扩散，加速氧化腐蚀的进程。此外水的机械作用也更加显著，破碎致密氧化物薄膜，使氧化向金属基体深层进行，导致FAC进一步扩展。

由于文丘里管喉道材质为碳钢20G，不含有铬、钼、铜等有助于抑制FAC的合金元素，在近27年的运行周期中FAC的累积效应足以使文丘里管喉道尺寸发生明显扩大，影响到流量测量的准确性。喉道尺寸变化对于文丘里管流量测量的精度有较大的影响。

4 喉道尺寸对流量测量影响的数学分析

因为ρ为常数，p1，p2由压力仪表直接读取，假设该时刻的压力表读数稳定且准确，所以有：

因为文丘里管入口段直径未变，所以S1与出厂设计值一致，视S1为常数。

其中，函数y为关于x的增函数，同理主给水流量Q为关于喉道面积S2的增函数。

由于FAC腐蚀的影响，文丘里管喉道面积实际已经扩大，即核电站主给水流量实时计算系统中的S2输入值(为出厂设计值)同实际值相比偏小，所以主给水流量Q同实际值相比也偏小，呈现出主给水流量指示偏低的现象。

5 FAC控制措施

主给水文丘里管指示偏低的根本原因是FAC腐蚀导致喉道通道面积的扩大。文丘里管喉道FAC腐蚀的预防要从设备设计、设备服役环境两方面综合考虑，主要包括材料、水化学环境、系统温度和压力等几个方面。铬、钼等合金元素可以在金属表面生成致密的氧化膜，阻碍Fe2+溶解，起到保护作用。当铬的含量(质量分数)超过0.1%时即可显著削弱FAC腐蚀的影响。此外，控制二回路水质的pH值在一个较高的范围内，可以抑制H+参与铁磁性氧化物的中间生成过程。由于主给水系统的温度和压力由反应堆功率和汽轮机出力等因素综合决定，无法做出变更，只能从文丘里管喉道材质选择和核电厂二回路水化学控制方面入手。目前核电厂二回路通过加入氨、联氨、乙醇胺等碱性物质来提高系统介质pH值。管道系统的布局及其配置也是FAC腐蚀的一个重要促成因素，对于在运行核电厂，改变现有管道布局是困难的，但可以在满足测量精度要求的前提下尽量选择收缩段较长的文丘里管，以减少湍流、直接管壁冲击、流体涡流等造成的FAC加剧。核电厂于OT118停堆大修期间，更换了新的文丘里管，其喉道材质由碳钢A42CP替换为13CrMo4-5(Cr的质量分数为0.7%～1.15%)，通过大幅度提高Cr的含量来提高喉道的耐FAC腐蚀能力，经过近4年的运行验证，未再发现FAC腐蚀继续发生的显著迹象。

6 结语

文丘里管作为一种差压式流量计，在核电厂的主给水流量测量中有着重要的应用。主给水文丘里管长期运行过程中，FAC腐蚀会导致其喉道尺寸逐渐扩大，由于文丘里管流量测量值与喉道面积正相关，因此呈现出流量测量结果偏低的现象。可以通过加入氨类等碱性物质提高核电厂二回路水质的pH值，并在文丘里管喉道制造过程中选用Cr含量较高的合金，合理选择文丘里管的结构等措施来增强耐FAC的能力，提高文丘里管的设备可靠性。