兩相流沖蝕不銹鋼材料的實驗研究

姚 軍,曹培根,2,周 芳,趙彥琳,李 寧

(1.廈門大學能源學院,福建廈門361102;2.福建省福清核電有限公司,福建福清350318;3.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249)

兩相流沖蝕不銹鋼材料的實驗研究

姚 軍1,曹培根1,2,周 芳1,趙彥琳3*,李 寧1

(1.廈門大學能源學院,福建廈門361102;2.福建省福清核電有限公司,福建福清350318;3.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249)

應用兩相流對不銹鋼材料(304,316)進行沖蝕研究,觀察其對材料的磨損腐蝕過程,并對不同條件下材料質量損失和表面形貌進行分析．發現在高速單相流沖蝕下不銹鋼材料損傷微弱;但加入微量石英砂后兩相流沖蝕對不銹鋼材料表面破環迅速,質量明顯減少;通過金相顯微鏡觀察發現材料表面有明顯的馬蹄坑,沖蝕時間越長,表面形貌破壞越嚴重．

兩相流;顆粒;沖蝕;不銹鋼

核電以其清潔、經濟、安全等比較顯著的優越性,被視為未來能源產業發展的主流方向之一,是目前能源體系中技術程度高,但發生事故后卻具有極大危害性的能源方式，提高核電運行系統材料的安全性是核電長期可持續發展的重要保障．核電站水路管道在長期高溫高壓流體的沖刷作用下會慢慢腐蝕變薄;在反應堆運行時,由于燃料棒、堆內構件等部件受高溫高壓腐蝕沖刷、磨蝕-腐蝕、FAC(flow accelerated corrosion)效應[1-2]等的影響,會產生許多細小的顆粒物,若這些顆粒物隨著冷卻劑進入一回路,將會對該回路管路產生物理磨損、化學腐蝕、磨蝕-腐蝕、FAC效應等,大大降低回路管路的性能,導致管道壁厚減薄甚至破裂,帶來嚴重的安全隱患[3]．因此研究多相環境下材料沖蝕后的損傷機理對提高核電系統運行安全性具有重要意義．

本文研究的沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現象或過程．它廣泛存在于核電、機械、冶金、能源、建材、航空、航天等許多工業部門,已成為材料破壞或設備失效的重要原因之一[4-6]．顆粒對管道部件的侵蝕破壞是大規模顆粒撞擊管壁后的整體累積效應,因此侵蝕結果與顆粒屬性息息相關．能夠對管壁造成損傷的顆粒尺寸一般在50～500 μm之間，其中堅硬、尖銳的顆粒會造成更嚴重的侵蝕破壞．此外,管道對砂子的存在極為敏感,管道內極少的砂子也能夠對管道造成嚴重的損害[7]．由于國內對于沖蝕問題的研究較少,實驗方法尤為缺乏．本文應用實驗方法對核電站常用不銹鋼材料進行研究,分析在兩相流沖蝕下材料減少及表面特征變化,尋找改進方法,以減少沖蝕對材料的破壞影響．

1 實驗過程及結果

1.1 實驗介紹

本實驗所用的材料為304，316不銹鋼,由于實際 生產中管道長時間暴露并受沖蝕,因此對材料受流體沖蝕能力的研究顯得格外重要．實驗裝置中水泵(功率1.5 kW)將水箱中的水注入管道中,經噴嘴(直徑13 mm)射流沖擊實驗樣品,沖擊水流速度約為18.5 m/s．實驗中分別采用普通水(自來水)和混有質量分數為0.1%顆粒的混合流體,射流沖擊樣品角度為30°和45°．實驗后采用表面顯微觀察與樣品稱量對樣品進行測量．顯微觀察儀器采用500×顯微鏡(AxioObserverA1m),稱量儀器采用精確度為0.1 mg的電子天平.稱量前先用酒精清洗樣品,然后放在超聲波清洗裝置中清洗3 min,在室溫下干燥后稱量,經3次測量取平均值．

本次實驗使用不同條件研究流體沖刷樣品程度,如顆粒材質、噴射角度．在進行實驗之前,首先對實驗過程中可能的影響因素進行比較分析,如水溫、沖蝕方式、環境影響等,努力將實驗誤差減小到最低．實驗過程中,水泵長時間運轉可使水溫升高,水溫由27 ℃上升為46 ℃,之后溫度保持穩定．在水溫升高過程中,經過多次實驗比較,發現溫度變化對材料沖蝕結果影響很小,可以忽略不計．相同樣品在相同時間段內一次連續沖蝕與多次間斷式沖蝕相比較,發現2種方式所獲得的實驗結果基本一致,即沖蝕方式的影響可以忽略不計．此外,沖蝕后樣品放在室溫條件下,24和48 h后稱量,沒有發生質量變化,表面也沒有可見顏色變化,因此實驗室環境對沖蝕后樣品的影響可以忽略不計．

圖1 實驗樣品質量減少量與含海沙兩相流沖蝕時間關系

1.2 流質對實驗的影響

本次實驗中,流體沖蝕實驗采用3種不同流質進行,單相流純凈水、兩相流分別含海沙和石英砂．

1) 純凈水.用純凈水對304不銹鋼進行沖蝕,射流沖擊樣品角度為30°,工作3 h后,清洗烘干稱量,發現樣品質量損失較小,其損失質量與測量天平的誤差在同一數量級(0.1 mg).因此可認為純凈水對304不銹鋼沖蝕結果影響微弱(和含海沙、石英砂的兩相流比較)．

2) 含海沙.海沙的主要成分是SiO2,海沙含鹽主要成分為KCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2與NaCl等．實驗前在普通水中加入海沙(直徑0.15 mm),質量分數為0.1%,水流噴射角度為30°,經14 h沖蝕后結果見圖1．由圖1可知,在含海沙水沖蝕下304不銹鋼和316不銹鋼質量隨時間增加明顯減小．其中由圖1(a)可知,當海沙顆粒直徑為0.15 mm時,2種材料的質量損失存在一定差別,例如316不銹鋼在經過14 h沖蝕后質量損失較304鋼多出0.022 6 g．2種材料的成分主要差別是Mo、Cr元素的含量,304不銹鋼無Mo元素,而316不銹鋼含有質量分數為2%～3%的Mo元素；在Cr的含量上,304不銹鋼較316不銹鋼平均要高出1%.而Cr元素對流體沖蝕的作用最敏感,例如:大亞灣工作人員對隔離閥導流環進行化學成分分析時發現,Cr的質量分數從0.027%增大到0.180%,單相流沖蝕相對速率會降低約3/4[8],即隨著流體中Cr元素的增加,材料的沖蝕程度會大大降低．這與本實驗中304不銹鋼表現出比316不銹鋼稍強的抗沖蝕能力結果相符.圖1(b)是在相同實驗條件下,選用直徑0.18 mm的海沙作對比實驗,沖擊角度同樣為30°,15 h后2種材料均隨時間的增長因沖蝕作用質量減少量增加,316不銹鋼相對于304不銹鋼質量損失多出0.059 3 g,較之前在0.15 mm顆粒作用下的沖蝕結果明顯增加,可見在較大的顆粒作用下,316不銹鋼材料的沖蝕效果更為明顯．從圖1(c)中發現,316不銹鋼在較小顆粒(0.15 mm)作用下 5 h左右材料沖蝕趨勢發生緩和的變化,而在較大顆粒(0.18 mm)作用下7 h后材料沖蝕趨勢才發生緩和．圖1(d)所示,對于304不銹鋼,當海沙直徑為0.15 mm時,在4 h后出現沖蝕趨勢變緩的變化,但在較大顆粒(0.18 mm)作用下該趨勢在實驗時段內(15 h)尚未出現緩和．因此,對于2種不銹鋼材料,顆粒粒徑大小均是影響材料沖蝕的關鍵因素,304不銹鋼材料在該實驗中對顆粒粒徑大小反應更明顯．

圖2 實驗樣品質量減少量與含石英沙兩相流沖蝕時間關系

3) 含石英砂.使用直徑為0.18和0.25 mm石英砂分別進行測試,沖蝕角度為30°,對比兩者的不同．兩者在同為質量分數0.1%的情況下隨時間減少的質量見圖2．由圖2(a)可知,在直徑0.18 mm石英砂沖蝕作用下,2種樣品沖蝕比較相近,而使用直徑0.25 mm石英砂時(圖2(b)),316不銹鋼質量減少明顯增多,可見,石英砂直徑不同,其沖蝕作用下2種不銹鋼材料減少的質量也不同．此外,直徑0.25 mm的石英砂對2種樣品沖蝕較直徑0.18 mm石英砂結果平穩(圖2(c)和(d)),大顆粒表現出較好的穩定性．

在圖1,2中均表現出在不同直徑顆粒沖蝕下小顆粒初期對樣品有較強的沖蝕能力,但隨著時間逐漸變長后累計的沖蝕質量被大顆粒逐漸超越.316不銹鋼在石英砂下實驗,大顆粒沖蝕質量超過小顆粒使用時間較長，在7 h左右；而海沙實驗曲線出現類似交點在5 h(見圖3)．綜上可知,在不同材料沖蝕下,大顆粒與小顆粒之間表現出相同的結論:大顆粒在初期對樣品的質量減少量較小顆粒少,之后逐漸超越；小顆粒對樣品質量的作用效果沒有大顆粒穩定．而通過對實驗后顆粒分析發現顆粒的棱角對樣品的質量減少有影響,小顆粒經過多次碰撞之后,棱角很快被磨平,對材料的影響逐漸減少．

1.3 不同沖擊角度對實驗的影響

圖3 實驗樣品質量減少量與沖蝕時間關系

石英砂兩相流作用下,樣品的質量減少較為穩定,下面研究在不用沖擊角度下使用石英砂兩相流樣品質量的變化情況.選取沖擊角度分別為30°，45°,結合經驗公式[8]進行分析．在同一工況下,當兩相流在30°沖擊316不銹鋼時,比在45°時所造成的質量損失更大．同時,由塑性材料質量損失與沖擊角度關系可知,在約15°之后,隨著沖擊角度的增大,其質量損失反而減小．這與實驗所得到的結論相吻合．而在45°角情況下,樣品質量變化較小．304不銹鋼對角度的敏感性要大些．

圖4 改進方案

2 改進方案

一旦運行管道中出現顆粒類雜質,管壁就會受到嚴重侵蝕,被侵蝕的材料進入管道溶液中加劇了管道侵蝕的速率,形成惡性循環．改進方案(見圖4)后,發現被測樣品的質量損失有明顯降低．該方案是在管道轉彎處設置一段向下的管道,顆粒隨著流體流經該管段時,在重力及兩相流牽引力作用下會在設計收集區域沉積,而水流則通過出口管道繼續運行．該方案不僅可實現在運行過程中對顆粒有效收集,還可以在此管道上安裝閥門,在不影響管道正常運行的情況下,定期取出管道中的沉積雜質．在管路中有同樣顆粒的情況下,改造后管路中的顆粒明顯減少,對樣品的沖蝕在設備運行7～8 h后逐漸變弱．所以,在管道合適的位置設置沉淀器,可以使管道中的顆粒在沉淀裝置處聚集,大大降低顆粒對管道造成的危害．

對兩相流沖擊后的樣品進行表面觀察,發現經過長時間沖蝕后的金屬表面出現馬蹄坑特征的腐蝕形態[10]，而扇貝狀腐蝕形貌常出現在發生嚴重管壁減薄的大直徑管道內表面．實驗后的316不銹鋼經過金相顯微鏡觀察可以得到與長時間沖蝕后的管道金屬表面相類似的腐蝕形態．實驗結果與實際電站的腐蝕情況相同,實驗加速過程與核電站實際問題類似,可以由實驗結果預測核電站實際運行結果．304不銹鋼沖蝕前表面平整,晶界分明，但經過10 min沖蝕后,晶界出現混亂,模糊不清;沖蝕1 h后,完全看不到晶界,并且可以觀察到明顯的凹凸,3 h后,凹凸更加明顯．

3 結 論

本文通過實驗研究304，316不銹鋼在兩相流沖蝕下的材料特性．對實驗后樣品進行質量稱量,金相顯微鏡和電子顯微鏡觀察后得到以下結論：

1) 在單相流(普通水)連續沖擊作用下,2種實驗樣品均表現出很好的抗沖蝕性能,質量減少可以忽略;在含顆粒的兩相流沖擊作用下樣品質量損失明顯增加,316不銹鋼因為Cr含量低,損失質量大于304不銹鋼;在較大的顆粒作用下,316不銹鋼材料的沖蝕效果更為明顯．

2) 對于2種304，316不銹鋼材料,顆粒粒徑大小均是影響材料沖蝕的關鍵因素,304不銹鋼材料在該實驗中對顆粒粒徑大小反應更明顯．

3) 大顆粒在初期對樣品的質量減少量較小顆粒少,之后逐漸超越;小顆粒對樣品質量的作用效果沒有大顆粒穩定;而通過對實驗后顆粒分析發現顆粒棱角對樣品的質量減少有影響,小顆粒經過多次碰撞之后,棱角很快被磨平,對材料的影響逐漸減少．

4) 改進實驗設計,在實驗系統中增加除顆粒線路,樣品質量損失率大大降低,抗磨損-腐蝕效果顯著．

在本工作的基礎上將進行更深入的工作，如研究在沖蝕過程中顆粒粒徑、形狀的變化規律,分析顆粒粒徑、形狀變化與樣品損失的關系，研究海沙中的氯離子含量對樣品表面損失的影響,以獲得磨損-腐蝕的關聯性．

[1] Chexal B,Horrowitz J,Doolev B,et al.EPRI TR-106611-R1 flow-accelerated corrosion in power plants [R].[s.l.]：United States Electric Power Research Institute,1998.

[2] 束國剛,薛飛,遆文新,等.核電廠管道的流體加速腐蝕及其老化管理[J].腐蝕與防護,2006,27(2):72-76.

[3] 汝小龍,周濤,郭淼淼,等.核電站一回路中顆粒物對管路延壽影響的研究[J].中國電業技術,2012(8):0062.

[4] Allen C,Ball A.Review of the performance of engineering materials under prevalent tribological and wear situations in South Africa industries[J].Tribo Inter,1996(29):105-116.

[5] 姚軍,陳麗華,樊建人,等 一種氣固兩相流中彎管抗磨方法的數值試驗研究[J].中國電機工程學報.2002,22(5):134-138.

[6] Yao J,Zhang B Z,Fan J R.An experimental investigation of a new method for protecting bends from erosion in gas-solid flows[J].Wear,2000,240:215-223.

[7] 張日,劉海笑.流動保障中管道的顆粒侵蝕分析[J].海洋工程,2012,30(4):10-21

[8] 車銀輝,關建軍,呂群賢,等.大亞灣及嶺澳核電站旁路給水隔離閥導流環缺損原因分析[J].核動力工程,2012,33(2):132-135.

[9] Adler W F.Assessment of the state of knowledge pertaining to solid particle erosion,DAAG29-77-C-0039[R].U.S.:Army Research Office,1979.

[10] Humphrey J A C.Fundamentals of fluid motion in erosion by solid particle impact[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,1990,11(3):170-195

[11] Minami K,Kurban A P,Khalil C N,et al.Ensuring flow and production in deepwater environments [C]//Proceedings of the 31st Annual Offshore Technology Conference.Houston:[s.n.],1999:OTC11035.

[12] Davalath J,Hurtado M,Keig R.Flow assurance management for Bijupira and Salema field development [C]//Proceedings of the 34th Annual Offshore Technology Conference.Houston:[s.n.],2002:OTC14052.

Experimental Investigation of the Erosion-corrosion of Stainless Steel by Two-phase Flow Jets

YAO Jun1,CAO Pei-gen2,ZHOU Fang1,ZHAO Yan-lin3*,LI Ning1

(1.College of Energy,Xiamen University,Xiamen 361102,China;2.Fuqing Nuclear Power Co.Ltd.,Fuqing 350318,China;3.College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,China)

In this work,two types of stainless steel,304 and 316,were investigated by two-phase flow impinging jets for purpose of understanding the development of erosion-corrosion.The cumulative mass loss was measured and material morphologies prior to and after the experimental erosion tests were observed by scanning electron microscopy (SEM).It was found that the stainless steel was damaged slightly by single-phase flows even at high speed but was destroyed much quickly as the mass loss increased greatly by adding small amounts of quartz sand as part of two-phase flows.Horseshoe pits can be observed conspicuously through a high-power optical microscope and the damage of the stainless steel increases with time.

Two-phase flow;particle;erosion;stainless steel

2015-03-27 錄用日期：2015-06-13

國家自然科學基金(51376153，51406235)

姚軍,曹培根,周芳，等.兩相流沖蝕不銹鋼材料的實驗研究[J].廈門大學學報:自然科學版，2015,54(5)：746-750.

：Yao Jun,Cao Peigen,Zhou Fang,et al．Experimental investigation of the erosion-corrosion of stainless steel by two-phase flow jets[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：746-750．(in Chinese)

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.05.020

新能源材料專題

TH 133;TP 183

A

0438-0479(2015)05-0746-05

* 通信作者：ylzhao@cup.edu.cn