流動加速腐蝕對碳鋼管道的影響

于　濤

(國核電力規劃設計研究院，北京　100095)

流動加速腐蝕對碳鋼管道的影響

于濤

(國核電力規劃設計研究院，北京100095)

摘要：流動加速腐蝕是電站內常見的一種腐蝕類型。由于影響流動加速腐蝕的因素較多，很難對流動加速腐蝕作出準確預測。對影響流動加速腐蝕的各種因素分別進行論述，并據此提出了理論計算公式。

關鍵詞：高溫汽水管道；流動加速腐蝕；含氧量；PH值

1流動加速腐蝕對電站管道的影響

在高溫汽水環境下，電站內碳鋼管道的主要腐蝕類型為流動加速腐蝕(FAC)、點蝕、縫隙腐蝕和疲勞損傷。FAC是指單相液流或汽液雙相流將碳鋼或者低合金鋼表面的保護性氧化膜溶解，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的現象。

國內外發生過多起管道破裂失效事故，造成了重大經濟損失，甚至造成了人員傷亡。2004年美濱核電站3號機組冷凝管線某孔口下游由于FAC導致管道破裂，導致4人死亡。日本女川核電站2號機組給水管道彎頭處發生濕蒸汽沖刷腐蝕，導致管壁穿孔。文獻[1]對近年國內外管道腐蝕失效案例進行過統計分析，結果表明FAC引起的腐蝕案例占總數的25%，FAC已成為管道腐蝕失效的主要原因。因此，準確預測和防治FAC是電站安全運行中的關鍵問題。

2FAC成因及影響因素

電站中，鍋爐對給水的PH值和含氧量有一定要求，為滿足設備制造商的要求，通常會對給水系統進行加藥和除氧處理，以維持較高PH值和較低含氧量的環境。在高溫水中，堿性水會腐蝕金屬基體，釋放出Fe2+，并在金屬表面生成一層保護性的Fe3O4。但是Fe3O4具有滲透性和微溶性，會在H+作用下逐漸溶解。當腐蝕膜生成和腐蝕膜溶解達到平衡時，FAC腐蝕速率穩定。

腐蝕膜減薄主要是化學溶解而非流體的機械作用，在單相流環境中，FAC包括3個關鍵過程：氧化膜的生成；腐蝕產物通過擴散層擴散到溶液中；氧化膜的溶解。

無O2環境下，FAC反應過程包括：

(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在多孔膜中的擴散

(3)氧化膜的溶解

FAC腐蝕過程與水化學、材料組成和流動特性緊密相關，其主要影響因素如圖1所示[2]。

圖1　影響FAC的主要因素

由圖1可以看出，影響FAC的因素非常多，可總結為：管件的材料(Cr元素含量)、化學環境(PH值、含氧量)、流體的溫度和速度、管件形狀、流體動力特性等。

(1) 管件的材料。根據電站運行經驗，不銹鋼和Cr-Mo鋼與碳鋼相比，不易發生FAC。且管件材料中Cr含量達到0.2～0.3%時，腐蝕速率就已明顯降低。因此，電站設計時，對于易發生FAC的管件，應優先選用不銹鋼、P22、P11或HD245Cr等抗腐蝕性能比較強的材料，并對主要管道的FAC進行監測。

(2) 化學環境。當水中O2濃度升高時，Fe3O4會逐步氧化成Fe2O3，腐蝕膜的保護性會增強。為了減少氧化膜的溶解，向水中注入少量的O2促進膜生成，可以顯著地降低FAC腐蝕速率[3]。另外，注入新型堿化劑(如乙醇胺，ETA)也會顯著的改變溶液腐蝕特性，從而促進腐蝕膜的生成。根據對運行電廠的監測，常規火電給水和凝結水的含氧量維持O2<5ppb，pH>9時，碳鋼的腐蝕速率較低。

(3) 流體溫度。實驗室研究表明，在80～280℃時FAC腐蝕比較嚴重。在單相流體時，FAC腐蝕速率最嚴重的范圍是130～210℃。在兩相流體時，FAC腐蝕速率最嚴重的范圍是50～200℃。因此，在壁厚計算時，應對該溫度范圍內的管道考慮一定的腐蝕余量，以保證電站運行期間不發生管道失效事故。

(4) 管件形狀。管道的設計應在滿足設計要求和現場條件的情況下，減少局部的湍流。電站運行中發現三通、彎頭、現場焊縫的局部位置發生腐蝕非常明顯。在這些管件的下游3～5倍的直徑長度范圍內的金屬損耗非常嚴重。管道的布置應該避免管件與管件的近距離連接，采用獨立安裝，各管件之間的距離要大于3～5倍管道直徑。在易發生腐蝕的系統管道中，應最大限度的采用彎管、大彎曲半徑彎頭，如果可能，盡量減少支路連接和三通。

(5) 流體動力特性。FAC發生在流體傳質系數高的情況。流體傳質取決于水力條件和可溶解鐵在邊界層的擴散能力。如：大小頭、控制閥、孔板和焊縫區域、控制閥和孔板下游的管道容易發生由汽化和閃蒸等機械破壞引起的腐蝕速率的增加。且流速越低，湍流越少，管道和部件的布置對FAC腐蝕速率的影響就越小。

3FAC腐蝕速率的計算

通過對FAC影響因素的分析，可得出如下理論計算公式：

V=FM×FG×FT×FC×FR

(1)

式中V——腐蝕速率，mm/年；FM——傳質系數 ；FG——幾何系數；FT——溫度系數；FC——水力條件系數；FR=鋼成分系數。

4結語

本文得到的FAC腐蝕速率計算公式是理論公式，相關參數和圖表還需通過實驗獲得。目前我國缺少相關數據或圖表，導致難以準確預測FAC速率。因此，應研究管道材料流動加速腐蝕機理和膜溶解特性、分析典型結構近壁面傳質規律、建立基于三維仿真的管道結構FAC預測技術、提出有效的降低腐蝕速率方法。

參考文獻：

[1]劉搖，肖袁，趙建倉，等.核電廠管道及焊接接頭失效案例綜述[J]. 失效分析與預防,2013,8(5):300-305.

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

[2]陳耀東. 流動加速腐蝕引起的管壁減薄分析及驗證[J]. 金屬學報, 2011, 47(7):784-789.

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

[3]畢法森，孫本達，李德勇. 采用給水加氧處理抑制流動加速腐蝕[J]. 熱力發電, 2005，34(2):52-53.

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

(本文編輯：趙艷粉)

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

作者簡介：于濤(1983)，男，工程師，要從事核電站熱力系統設計工作。

中圖分類號：TG172

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0357-02

收稿日期：2016-02-18