A105碳鋼材料管道的腐蝕穿孔原因

劉 忠,董海濤,潘姚凡,張忠偉

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

國內某核電廠運行4 a，檢修部門發現消防系統節流孔板下游管道出現腐蝕穿孔，消防管道發生外漏，如圖1所示。消防系統作為核電廠重要的輔助安全系統，在核電廠的安全運行中扮演重要的角色。一旦消防系統失效，將影響人員設備安全，甚至危及核安全。核電廠消防系統管道在運行數年以后，會出現各種各樣的腐蝕問題，故本工作針對核電廠消防管道穿孔問題進行了深入分析，并提出了應對措施，以期為核電站的安全運行提供借鑒。

1 試驗

對管線內部形貌、氧化膜形貌以及分布進行宏觀和微觀觀察，根據表面形貌，結合現場工藝工況及環境，初步判定管壁減薄模式。消防管道有多種腐蝕模式，電偶腐蝕、管結瘤腐蝕、空泡腐蝕等[1]。對管道材料進行成分分析，根據材料成分、運行工況、介質判斷材料傾向于何種失效方式。

(a) 宏觀形貌

(b) 局部放大圖圖1 穿孔消防管道的形貌Fig. 1 Morphology of the perforated fire pipe: (a) macro morphology; (b) enlarged view

用線切割方法在不同區域截取腐蝕坑金相試樣，試樣經預磨、拋光并侵蝕后進行金相檢查，分析材料組織。在管道內部取腐蝕產物進行物相分析，分析腐蝕產物的物相組成。

FERNG[2]采用CFD(計算流體力學)方法對核電廠管道的沖蝕進行了模擬，得出了較好的結論。BENEDETTO等[3]將CFD計算結果和試驗結果進行了比對，結果良好。一般情況下，孔板下游通常為沖蝕和空蝕敏感部位，流動狀態對腐蝕模式影響很大[4]，為分析流體的影響以及發生沖蝕和空蝕的可能性，采用計算流體力學對管線內部流速流態進行模擬分析，以確定流體在管線各部位的流速和流態，結合實際減薄區域，進行研究比較，進一步確定管線減薄模式。

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌

管道內壁整體分布著一層深褐色腐蝕產物，腐蝕穿孔處位于接頸法蘭短截處，距離接頸法蘭和管道的焊縫約5.7 mm。管道內壁上散布著大量圓形管結瘤，敲開管結瘤可以發現，部分管結瘤已經演化成腐蝕坑，如圖1所示。接頸法蘭管結瘤比較堅硬，腐蝕產物與基體結合緊密。用刮刀刮開部分管結瘤，可見內呈黑色，符合管結瘤的典型形貌特征。

2.2 化學成分

消防水管道材料各元素含量如表1所示，根據成分組成，材料為A105碳鋼材料，成分均滿足ASTM A 105-2018標準要求。

表1 消防管道的化學成分Tab. 1 Chemical composition of fire pipe %

2.3 金相檢驗

用線切割方式在穿孔區域和腐蝕坑區域截取2個金相試樣，經預磨、拋光、侵蝕后進行金相檢驗，結果如圖2和3所示。

管道的基體組織均為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，符合A105鋼鍛件和軋制件的正常組織形態。腐蝕坑底和側壁輪廓線均呈現正常的腐蝕坑形貌特征，未見有呈方向性的細小輪廓或尖銳的沖蝕或空蝕形貌。

(a) 穿孔處 (b) 穿孔邊緣圖2 管道穿孔處及穿孔邊緣的微觀形貌Fig. 2 Micro-morphology of the pipe at the location of perforation (a) and the edge of perporation (b)

2.4 腐蝕產物物相分析

在管道內壁腐蝕區取腐蝕產物進行物相分析，結果見圖4。由圖4可見，腐蝕產物的物相組成為Fe(OH)3和Fe3O4。

2.5 微觀形貌觀察

由圖5可見，靠近穿孔的2區處的腐蝕產物較為致密，1區和3區處腐蝕產物較為疏松，內壁腐蝕產物從外向內逐漸變得致密，宏觀檢查顯示這些區域的腐蝕產物整體較堅硬，與基體結合緊密。

2.5 流體作用分析

管道穿孔處位于節流孔板下游，孔板下游通常為空泡腐蝕敏感部位，利用CFD模擬分析了此處發生空泡腐蝕的可能性。

建立二維有限元分析模型，孔板前管道長度取2倍管徑，孔板后管道長度取5.5倍管徑，采用速度入口與壓力出口邊界條件。網格劃分采用四邊形網格，湍流模型采用標準的K-ε模型，考慮重力。

(a) 腐蝕坑邊緣

(b) 腐蝕坑底部圖3 腐蝕坑區域的微觀形貌Fig. 3 Micro-morphology of the corrosion pit: (a) edge of the corrosion pit; (b) bottom of the corrosion pit

圖4 腐蝕產物XRD分析結果Fig. 4 XRD analysis results of corrosion products

管道流量為34.3 m3/h，換算成線性速度約為1.09 m/s，出口壓力為900 kPa時，入口壓力約1 490 kPa，基本與泵的出口壓力一致。

靜壓分析結果表明:最小壓力為522 kpa，流體運行最高溫度為50 ℃，此溫度下其飽和蒸汽壓為12.34 kPa(0.123 4 bar)，最小壓力遠大于飽和蒸汽壓，流體在經過此節流孔板后不會出現汽化現象。

對管道內流體的速度分布進行分析，結果表明：流體經過節流孔板后流速迅速增大，在孔板后300mm處達到最大值后迅速降低；此區域流體對壁面作用相對其他部位的更為強烈。

(a) 穿孔處宏觀形貌

(b) 1區局部放大圖

(c) 2區局部放大圖

(d) 3區局部放大圖圖5 腐蝕穿孔處的腐蝕產物宏觀形貌及其局部放大圖Fig. 5 Macro morphology (a) and its enlarged view (b-d) of corrosion products at the position of perforation

2.6 討論

綜合以上理化分析和模擬計算分析結果，靠近法蘭一側500 mm范圍內管壁上整體覆蓋著一層深褐色腐蝕產物，腐蝕產物較為密實，與基體結合緊密，在腐蝕產物表面散布著大量管結瘤和大小不一的腐蝕坑，腐蝕坑形狀不規則，邊緣輪廓到坑底較為陡峭，整體上，位于該區域內的腐蝕坑在腐蝕坑輪廓上同樣未見明顯方向性特征，在分布上也未見空泡腐蝕特征。

管道內壁腐蝕產物的物相組成為Fe(OH)3和Fe3O4，為常規腐蝕產物；管道材料化學成分滿足相關標準要求；金相檢測發現腐蝕坑底和側壁輪廓線均呈現出正常的腐蝕坑形貌特征，未見有呈方向性的細小輪廓或尖銳的沖刷形貌，非空蝕特征。

計算分析發現節流孔板壓降較小，不具備發生空泡腐蝕的條件，但是在孔板后約350 mm范圍內湍流較為強烈，流體對管壁的剪切作用較大，對其他位置的則相對較小。

消防水長時間處于靜止和封閉狀態，管道內消防水中含氧量會隨腐蝕的發生而消耗，封閉和靜止的消防水對管道的腐蝕經歷“腐蝕發生→氧氣消耗→腐蝕停滯”過程，一旦有新鮮的消防水進入，這一過程將重復。消防水泵每月進行一次試驗，每次時長2 h，隨著試驗的不斷進行，管道內有新鮮水流動，這給管道內介質帶來新鮮氧氣和其他離子，這會使管道內腐蝕快速發展，并且形成管結瘤。

管結瘤示意圖如圖6所示，最外層是瘤皮，主要成分是Fe(OH)3，碳酸鹽、硅酸鹽和沉積在上面的碎石和泥沙。在瘤皮之下是瘤殼，瘤殼主要由Fe(OH)3和Fe3O4組成。瘤殼是內部極低氧含量與外部較高氧含量的分界。Fe(OH)3是很好的導體，能促進在腐蝕面生成的電子通過瘤殼與外部氧發生陰極反應生成氫氧根離子。瘤殼內是瘤核，瘤核下是金屬面，是發生腐蝕反應的主要場所。管結瘤部位由于表面致密腐蝕產物的存在，介質中的氧很難擴散到結瘤內部，結瘤內部氧含量非常低，而未結瘤部位氧的擴散較為容易，氧含量較高，形成氧濃差腐蝕，氧濃度較高的部位作為陰極得到保護，氧濃度較低的結瘤內部作為陽極，腐蝕加速。

隨著腐蝕反應的持續進行，管結瘤不斷長大，外層瘤皮變得疏松，而流體在經過節流孔板后，受節流孔板的作用，壓力降低，流速增加，造成近孔板部位湍流強度增大，在流體的作用下較為疏松的瘤皮被沖至下游，剩下較為致密的部分則繼續發生管結瘤腐蝕，此區域內未結瘤部位由于表面腐蝕產物被帶走，氧擴散加速，從而加速管結瘤腐蝕。

圖6 管結瘤結構Fig. 6 Tuberculation structure

3 結論與建議

消防水管道材料的化學成分滿足標準要求，顯微組織正常。消防水管道穿孔的主要原因為管結瘤腐蝕。孔板的存在造成下游管道近孔板區域流體湍流強度增大，把表面疏松的腐蝕產物帶走，留下致密的腐蝕產物，加速致密氧化物下的金屬腐蝕，最終導致穿孔。

節流孔板的存在增強了孔板下游管道在某一范圍內流體的湍流強度，為管結瘤的形成提供了更為有利的條件，導致該段管道成為消防水管的腐蝕薄弱區域之一。就此，提出如下建議：對孔板下游管段進行單獨制管，對其內壁進行防腐蝕處理，對管道內壁進行襯膠處理，更換后需要制定定期檢查計劃。