在線測試碳鋼流動加速腐蝕減薄速率的直流電壓法

賴 平,張樂福,潘向烽,宋利君,李新民

(1.上海交通大學核能科學與工程學院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

在線測試碳鋼流動加速腐蝕減薄速率的直流電壓法

賴 平1,張樂福1,潘向烽1,宋利君2,李新民2

(1.上海交通大學核能科學與工程學院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

研究了在線測試試樣管壁減薄速率的方法,并在前期試驗方法的基礎上進行了改進。在模擬壓水堆核電廠二回路水化學工況條件下,對兩種碳鋼進行了流動加速腐蝕試驗。結果表明:在線測試碳鋼流動加速腐蝕速率的改進方法合理可行,可以實現在線測試材料的流動加速腐蝕速率,實現不更換試樣的連續試驗,減輕試驗受環境變化的影響;溫度波動對在線測試有較大的影響,引入無量綱電壓可減輕其影響。

直流電壓法;在線測試;碳鋼;流動加速腐蝕減薄速率

流動加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion, FAC)[1-5],是指液相(單相液流或氣液兩相流)存在時,碳鋼或低合金鋼表面的保護性氧化膜溶解,造成壁厚持續減薄的現象,液相流動對此有促進作用。流動加速腐蝕是金屬損耗的一種,主要包括金屬氧化的電化學過程和金屬離子遷移、可溶性含鐵組分溶解的物理過程。

流動加速腐蝕是一種普遍現象,在電力、石油、化工等具有冷凝水管路的行業中普遍存在[5],壓水堆核電站管道中發生的流動加速腐蝕最受到關注。日本美濱核電站3號機組由于流動加速腐蝕造成了嚴重的人員傷亡[3-4]。國內某核電廠在每次大修時,均能從汽水分離再熱器箱底及疏水箱中清掃出一些銹蝕產物,經檢驗分析得知其為磁性氧化鐵;在凝汽器底部也會清理出類似的銹蝕產物。通過對腐蝕形態觀察、腐蝕產物成分分析、金相分析,并結合腐蝕部位的熱力情況分析,確認引起上述問題的主要原因是流動加速腐蝕[6]。通常情況下,流動加速腐蝕發生在90～230℃;但是近年來,在部分大容量高參數的超(超)臨界機組的凝結水系統及疏水系統在較低溫度下也會發生流動加速腐蝕[7],例如張賢等[8]證實在50℃的凝結水中會出現流動加速腐蝕導致的破壞。

日本美濱核電站3號機組發生了嚴重的流動加速腐蝕,由于其壁厚減薄未被及時檢測出來,沒有采取相應措施,當管道壁厚減薄到一定程度后管道便會突然破裂,造成設備損傷和人員傷亡。因此測定流動加速腐蝕速率,預測材料的壁厚情況,及時采取相應的措施來預防或應對流動加速腐蝕,對于核電機組的安全可靠運行具有重要的意義。

傳統方法較普遍地采用掛片方法來測試流動加速腐蝕速率,測定結果分散不具有連續性,同時對試樣的處理過程中會引入很大的誤差(如試樣的氧化、稱量等)。針對傳統方法的不足,為滿足流動加速腐蝕速率在線連續測試的需求,筆者采用直流電壓法[9-11]在線連續測試材料的流動加速腐蝕速率,并和稱重法結果進行對比,在前期試驗方法的基礎上進行了改進[12]。

1 試驗原理

當通過試樣的直流電流恒定時,試樣兩端的電壓隨厚度變化[13-14](即為直流電壓法)。可根據測量得到的電壓信號,來反映試樣厚度的變化,實現在線測試。該試驗采用規則的管狀試樣,在試樣兩端加載恒定的電流,測量試樣標準段上的電壓U,通過電壓和試樣厚度的函數對應關系,得出試樣的壁厚減薄量[12]。根據文獻[12]的推導過程,壁厚減薄量和電壓的關系式為:

式中:Δx為壁厚減薄量,mm;d0為試樣外徑,mm;K為常數,與加載電流、試樣形狀有關,由初始測量電壓得到;U為測量得到的電壓,n V;di為試樣初始內徑,mm。

在實際試驗情況下,流體環境處于波動狀態,如溫度在平衡點附近波動,而環境溫度變化對電勢的影響很大,如圖1所示。因此引入無量綱電壓,計算時只需將式(1)中的電壓改為無量綱電壓即可。

圖1 環境溫度變化對電勢的影響Fig.1 Effect of ambient temperature change on the potential

要直接采用式(1)計算,需要滿足比較嚴格的條件:參比電極需要和試樣處于相同的流體環境,與此同時自身不受腐蝕。由于難以滿足理想的參比電極條件,因此引入了改進型參比電極,相應的計算公式也有如下變動。

當通入電流恒定時,測量得到的電壓U由兩個因子決定,即與試樣形狀尺寸有關的函數f(x)和與電導率有關的函數g(ρ),其中電導率ρ受環境因素(溫度、流體、材料等)影響。用公式表達即為:

在初始厚度已知的條件下,有:

式中:x0為初始厚度;Δx為厚度減少量。

根據此關系,采用了相同材料不同尺寸的試樣串聯起來,保證其所處環境盡可能一致,則有:

式中:x1,x2分別為不同的初始厚度。

將式(4)和式(5)相除可得:

式中:h(x)是只與試樣形狀尺寸有關的函數。

由這一函數關系可知,可通過測量電壓信號得出試樣厚度的變化量。通過對測量得到電壓的無量綱化,理論上消除了環境因素帶來的電阻率的波動,就可以去掉式(1)推導過程中的假設:試樣所處的流體環境保持穩定,即材料的電阻率ρ為常數。

2 試驗方法

試驗所用回路、數據采集系統的詳細信息可查閱文獻[12]。所使用的管狀試樣如圖2所示,該試樣保證參比電極和標準段處于相同的流體環境。在管狀試樣的兩端加載恒定電流,在左端的大外徑段(粗段),選擇兩個電勢測點作為參比信號,在中間的小外徑段(細段),選擇另外兩個電勢測點作為標準段的電壓信號,各電極的焊接位置如圖3所示。管狀試樣加載電流后的電勢分布如圖2所示,粗箭頭所示為加載恒定電流位置,選擇電勢測點的原則為:為提高測量結果的準確性,盡量使測量的結果為較大的數值,以減小計算公式所帶來的誤差;電流分布應盡量均勻,以滿足公式推導假設。

根據上文所選用的試樣,對該測量方法所用計算公式的準確性進行檢驗:使用同一試樣,測量其在已知不同厚度下的電壓,根據計算公式,由測量得到的電壓計算試樣的厚度。加工厚度和試驗計算厚度的對應關系如圖4所示,其中計算值表示根據公式換算得到的結果,參考值表示測量結果(即標準線),修正值表示在計算值的基礎上乘以修正系數1.05后的結果。

圖2 管狀試樣電勢分布圖Fig.2 Potential distribution of the tube specimen

圖3 管狀試樣設計圖Fig.3 Design diagram of the tube specimen

圖4 試樣厚度結果對比Fig.4 Result comparison of specimen thickness

從圖4中的曲線可以看到,試樣厚度的計算值和測量值相比,結果接近但略偏小。由于計算公式的推導相比實際情況更理想化,實際情況的電流分布不完全均勻,因此這一誤差可能是由計算公式造成的。試樣表面的微觀結構是凹凸不平的[15],測量得到的厚度是最高點的厚度,而計算得到的厚度是平均厚度,如圖5所示。因此,用公式計算得到的試樣厚度和測量得到的試樣厚度相比,理論上偏小。考慮到計算公式帶來的偏差,給計算公式乘以修正系數1.05,得到修正的計算公式。修正后的計算結果和測量結果吻合,因此可以認為這一計算方法是合理可行的。

圖5 計算厚度和測量厚度差異示意圖Fig.5 Schematic diagram of the difference between calculating thickness and measuring thickness

為了確認直流電壓法的結果,采用掛片試樣的結果(減薄量)作為參考。試驗前在片狀試樣的邊角處刻上鋼印標記,然后用砂紙進行表面處理,用酒精進行超聲清洗去除表面污垢后,置于干燥箱中烘干并稱取質量。試驗后,取出試樣進行脫膜、清洗、烘干后稱取質量,根據試驗前后的質量減少來計算腐蝕速率。

3 試驗材料與試驗條件

利用已有的模擬壓水堆核電廠二回路水化學工況的試驗回路對A106Gr B和A672Gr B60兩種碳鋼進行流動加速腐蝕試驗,所用兩種碳鋼的化學成分見表1。

給定試驗條件:溫度150℃,壓力3 MPa,p H為9.7(加乙醇胺ETA調節),給水聯氨的質量濃度大于等于40μg·L—1,給水溶解氧的質量濃度小于5μg·L—1,流速9 m·s—1。在此試驗條件下對該方法進行試驗驗證。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the test material（mass） %

4 試驗結果與討論

進行有效試驗時間大于300 h的試驗后,得到如圖6所示的電壓變化曲線。從圖6可以看到,試樣粗段和細段的電壓變化無明顯的規律,但是兩根曲線的變化趨勢一致,說明試樣所處的環境處于波動狀態。試驗測量的電信號對溫度變化敏感,試驗溫度在控制的平衡溫度附近波動,同時試驗裝置所處的環境溫度也處于不穩定狀態,如晝夜溫差、陰晴溫差等,這些因素都會使電壓曲線無明顯變化規律。圖6中的電壓變化曲線說明試樣所處的環境不穩定,即不滿足推導過程中的假設,因此需要使用無量綱電壓。

圖6 管狀試樣段電壓變化曲線Fig.6 The potential trend of the tube specimen

將試樣的細段和粗段的測量電壓相除,得到如圖7所示的無量綱電壓曲線。電壓曲線無量綱化后的結果具有較明顯的變化規律,說明圖6中電壓曲線的不規律性和電阻率的變化有關。使用無量綱電壓在理論上不用滿足公式推導中的假設,因此可以使用無量綱電壓和厚度減薄量的關系式,即式(1)。

圖7 管狀試樣段無量綱電壓變化曲線Fig.7 The non-dimensional potential trend of the tube specimen

根據試樣壁厚和無量綱電壓的關系式,即式(1),將試驗測量得到的無量綱電壓換算成壁厚的減薄量,換算結果如圖8所示,可以看到兩種材料的腐蝕速率有明顯差異。將得到的壁厚減薄量曲線進行線性擬合,得出直流電壓法在150℃ETA工況下,A106Gr B碳鋼的流動加速腐蝕速率為0.019 98 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼的流動加速腐蝕速率為0.011 19 mm·a—1。參照ASTM G1—03 (2011)[16],對片狀試樣進行脫膜處理后,得到A106Gr B碳鋼稱重法的腐蝕減薄速率為0.018 81 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼稱重法的腐蝕減薄速率為0.013 29 mm·a—1。

圖8 在150℃加ETA工況下管狀試樣段壁厚減薄量變化曲線Fig.8 Changing curves of thickness reduction of the tube specimen wall at 150℃with ETA

由于在正式試驗前,試驗回路需要清洗、試壓等操作,會使得片狀試樣氧化;同時啟動試驗、停止試驗等需要一定的時間,這些操作都不可避免地使試樣受到不同程度的腐蝕。對于修正的直流電壓法,得到的結果與稱重法得到的結果相比,A106Gr B碳鋼的偏差為6.2%,A672GrB60碳鋼的偏差為15.8%。因此可以認為:兩種方法得到的不同結果在試驗測量誤差范圍內,試驗結果比較理想。

與此同時,直流電壓法能夠更容易地表示出壁厚減薄量和時間的關系,可以實現不更換試樣的連續試驗,有效解決了傳統的掛片法試驗結果不連續的特點,完成相同的試驗能夠比掛片法獲得更多的試驗數據,有助于試驗結果的分析。直流電壓法在線測試可以不更換試樣,而改變單一試驗條件連續進行試驗,連續試驗能簡化試驗,節約試驗成本。關于該試驗方法的后續研究也將繼續開展。

5 結論

通過模擬壓水堆核電廠二回路水化學工況,在前期試驗方法的基礎上改進后,采用直流電壓的方法,在線測試了試樣的電壓變化,試驗得到以下結論。

(1)采用改進的直流電壓法在線測試管壁減薄速率是合理可行的。與掛片法試驗結果的對比表明,改進直流電壓法的結果具有較高的精度。

(2)溫度波動對直流電壓法的試驗結果有較明顯的影響,而在增大溫度控制精度的同時,引入無量綱電壓有利于減小溫度波動帶來的影響。

(3)改進后的方法可以明顯減輕環境對試驗的影響。使用的管狀試樣,通過使用無量綱電壓,減輕了環境因素(如溫度)變化對試驗結果的影響,降低了對試驗條件控制的要求。

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On-line Testing Wall Thinning Rate of Flow Accelerated Corrosion for Carbon Steel by DC Voltage Method

LAI Ping1,ZHANG Le-fu1,PAN Xiang-feng1,SONG Li-jun2,LI Xin-min2
(1.School of nuclear science and engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute(SNPI),Suzhou 215004,China)

An on-line testing method of specimen wall thinning rate was researched and improved based on the previous testing method.A system was built to carry out the flow accelerated corrosion test by this method in simulated secondary water chemistry of PWR.The experimental results show that:the improvement of on-line testing method was reasonable for testing flow accelerated corrosion rate of carbon steel,and it could test continually without changing specimens and reduce the influence of its surroundings;temperature fluctuation had a great influence on the on-line measurement,and non-dimensional voltage could be brought in to reduce the influence.

DC voltage method;on-line testing;carbon steel;flow accelerated corrosion thinning rate

TG172.82

:A

:1001-4012(2017)01-0017-05

10.11973/lhjy-wl201701005

2016-04-18

賴平(1992—),男,碩士研究生,主要從事金屬材料腐蝕性能研究,laiping＠sjtu.edu.cn。