核電廠汽水分離再熱器流動加速腐蝕原因分析及控制措施

邊春華，盧 祺，劉洪群，查曉龍

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300;2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

1 概述

1.1 汽水分離再熱器簡介

汽水分離再熱器(MSR)作為核電廠二回路主要設備，被水平放置于運轉層上，在低壓缸兩側各設置一臺。汽水分離再熱器(MSR)的功能如下：

1)對汽輪機高壓缸排汽進行分離去濕，除去約98%的水分；

2)在蒸汽進入低壓缸之前提高它的溫度。

從高壓缸排出需要去濕和再熱的濕蒸汽通過左、右各兩根與兩臺MSR筒體下部管接頭直接相連的冷再熱蒸汽管進入汽水分離再熱器。蒸汽進入MSR殼體后分別流入兩根進汽分配管。這些被割有槽口的流量分配管引導蒸汽以均勻的速度分布流入汽水分離再熱器的流量分配板和分離器波紋板元件。在分離約98%的水分后，蒸汽流再經過一級再熱器和二級再熱器加熱變成過熱蒸汽。過熱蒸汽向上流動，從蒸汽出口管排出。第一級再熱器的加熱蒸汽是由高壓缸的第一級抽汽供給的，第二級再熱器的加熱蒸汽為取自主蒸汽母管的新蒸汽。分離器和兩極再熱器的疏水排入各自的疏水箱中。

MSR殼體為用SA-516-70碳鋼板制作的全焊接結構，內部防沖板、保護罩及流量分配孔板為SS 304材質，分離板為SS 430材質。再熱器設置在MSR殼體內，由水平布置的傳熱管束、管板和蒸汽室等組成。再熱器管束、管板的材料分別為SA-268-TP439和SA-350-LF2。MSR半球形封頭和支撐板分別由SA-516-70、SA-285-C材料制成。

每臺MSR的正常運行參數如表1所示[1]。

表1 汽水分離再熱器最大連續出力工況下的運行參數

1.2 現象概述

國內某核電廠在多次大修的MSR內部腐蝕檢查中均發現內部部分部件，如進汽腔室、流量分配管及其上部腔室、分離器腔室及再熱器水室等表面存在流動加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion,FAC)形貌，如圖1所示。這些FAC形貌多呈現為虎斑狀，部分腐蝕部位就近觀察可看到腐蝕處表面密布馬蹄形淺坑，淺坑直徑約為3～5 mm。

圖1 汽水分離再熱器內部FAC形貌

2 FAC原因分析

2.1 基本概念

FAC是指在快速流動的水或濕蒸汽的湍流運動作用下，碳鋼或低合金鋼表面保護性的氧化膜(通常為磁性氧化鐵)不斷溶入水中或汽水混合流體中，使底層金屬基體不斷發生腐蝕，最終導致管壁不斷減薄的現象。當氧化膜溶解和金屬基體腐蝕相當時，腐蝕的速率達到穩定，并且這一穩態過程會隨著電廠的運行而持續下去。

需要注意的是，FAC是通過溶解過程起作用的，而不是一種機械破壞氧化層的作用，這與典型的沖蝕腐蝕機理是有區別的。

2.2 形貌特征

FAC會在金屬表面形成比較明顯的特殊形態。一般情況下，在單相流體作用下，當腐蝕速率較大時，金屬管道或部件表面會出現馬蹄坑特征的腐蝕形態，整體上看為貝殼狀或橘皮狀的腐蝕形貌。這種貝殼狀腐蝕形貌通常出現在發生管壁嚴重減薄的大直徑管道內表面。在兩相流體條件下，管道及工件表面FAC造成的腐蝕形貌呈虎斑狀[2]。

2.3 反應機理

FAC發生的機理，可由圖2來說明。管道或工件表面覆蓋了一層Fe3O4氧化膜，在遠離這層氧化膜區域的主流區的流體流速較快，而靠近氧化膜的流體邊界層的流速較慢。如果主流區中溶解的鐵離子未達到飽和，邊界層中已經溶解的鐵離子就會不斷向主流區中遷移，繼而邊界層中溶解的鐵離子也將處于不飽和狀態，這樣氧化膜中的鐵就會溶解到未飽和的邊界層中，從而使Fe3O4氧化膜以一定速率溶解。另外，氧化膜孔隙內充填有水，金屬基體腐蝕產生的鐵離子通過這個通道可直接擴散到氧化膜外的邊界層。這三個區域(主流區、邊界層、氧化膜)不斷發生溶解鐵的遷移，而高速流動的水又將遷移于水中的溶解鐵帶走，從而導致鋼鐵表面不斷腐蝕[3]。

圖2 FAC機理示意圖

2.4 FAC影響因素

2.4.1 材料

材料成分對FAC的影響主要是通過影響基體表面生成的氧化膜的穩定性和溶解度來實現的。一般認為，最有益的元素是Cr，Mo和Cu也有助于減小FAC的速率。相關研究顯示，當Cr含量僅僅為0.1%的時候就能有效抑制單相流體中FAC的發生，但是要真正意義上抑制FAC的發生，材料中的Cr含量應當大于1%[4]。另有研究證明，抑制FAC發生的Cr含量的臨界值為0.04%，隨著運行時間的增加，Cr含量對FAC的影響會變得更加明顯[5]。

合金元素降低FAC的速率主要是生成了比Fe3O4可溶性更小的氧化物(如FeCr2O4)，同時氧化物中的孔隙也減少了。化學成分的改變一般通過三種方式提高其抗FAC性能：一是提高材料的熱力學穩定性，二是促進材料表面形成耐蝕的鈍化膜，三是影響材料的組織結構，從而提高材料的強度、硬度或改善其沖擊韌性、耐磨性。此外，在材料化學成分一定的條件下，調整熱處理溫度獲取不同的組織結構，如基體硬化相等可顯著影響材料耐沖刷腐蝕性能。

2.4.2 水化學

水化學同樣是通過影響氧化膜的穩定性和溶解度進而影響FAC速率的。由于H+參與FAC氧化還原反應和運輸過程，這決定了pH值對FAC有顯著影響。通常pH升高可降低腐蝕速率。日本美濱(Mihama)核電站事故的相關研究報告指出，當pH值控制在8～9時，FAC速率隨著pH值的增加而逐漸減小；當pH值控制在9.5以上時，FAC速率隨著pH值的增加而急劇減小[6]。由此可看出，pH值是核電站建成后能通過合理的化學控制來達到有效抑制二回路材料FAC不多的幾個重要參數之一。

水中雜質如果可以穿過邊界層并且能與鋼或腐蝕產物(鐵離子和Fe3O4)反應的話，雜質就能影響FAC。這些雜質包括：氧、金屬離子、氫、其他雜質。氧可使Fe3O4向Fe2O3轉變，并且由于Fe2O3的溶解度比Fe3O4小幾個數量級，所以會降低FAC的速率。法瑪通德國技術研究中心的研究人員在研究FAC時發現：當流體中的溶解氧質量分數低于1×10-10時，腐蝕嚴重；當溶解氧質量分數在1×10-10～4×10-10時腐蝕速率急劇下降；當溶解氧質量分數達到8×10-10時，腐蝕速率可以忽略不計[7]。圖3展示了溶解氧對FAC速率的影響。金屬雜質對FAC的影響較小，但是銅離子、鎳離子、鉬離子等能影響到FAC的速率，即使在給水中的濃度至1 ppb。以銅離子為例，銅離子主要來自銅合金部件的腐蝕，由于電極的吸引作用，它會進入到氧化物的孔中，堵塞孔隙，這使得FAC中腐蝕產物的擴散通道減少，FAC的速率也就隨之減小。聯氨作為還原劑維持給水中的還原環境，還可作為除氧劑、pH調節劑。聯氨在下面兩種情況下會加速FAC：聯氨同氧反應使得氧含量降低；大于150 ℃時，聯氨分解產生的氫能使Fe3O4的溶解加快。FAC速率隨聯氨含量的變化曲線呈鈴狀，在150 ppb處達到頂峰。

圖3 溶解氧質量分數對FAC速率的影響

2.4.3 溫度

根據研究人員的實驗數據可知，FAC發生的溫度約在90～230 ℃之間，而溫度在150～175 ℃之間時材料發生FAC的程度最明顯[8]。單相FAC，如圖4(a)所示，主要出現在介質溫度為100～160 ℃的碳鋼材料管道中，且在130～150 ℃時最強；溫度低于50 ℃或高于250 ℃時單相FAC不會發生。對于兩相FAC，如圖4(b)所示，發生在溫度為150～220 ℃之間的碳鋼管道中，其最高速率在170～200 ℃之間，并且在280 ℃時也有FAC發生。從整體上來看，FAC與溫度變化的關系可用圓頂形曲線表示[9]。

圖4 FAC與溫度變化的關系

2.4.4 流體力學

對于FAC，流體力學因素主要通過影響腐蝕產物向主流區域的傳質速率來起作用。流體力學因素包括流體流速及流型、管道表面粗糙度、管路幾何形狀、流體含汽率等。

1)流速及流型的影響。當流速較低時，流體處于層流狀態，管道中間流體流速與管壁附近的流體流速相差很大，在接近管壁的邊界層流體流速幾乎為零。由于邊界層比較厚，腐蝕產物在邊界層中的擴散阻力比較大，因此管道表面的腐蝕速率比較低。當流速較高時，流體趨向于湍流狀態，管道中間流體流速與管壁附近的流體流速相差不大，在接近管壁邊界層的流體流速也相應較高，邊界層厚度減薄，腐蝕產物在邊界層中的傳質阻力減小，繼而管道表面的腐蝕速率就增大了。

2)管道表面粗糙度的影響。管道表面粗糙度會對近壁處流體流速有較大影響，導致流體對管壁腐蝕產生較大影響。相關研究實驗表明，光滑表面下，流動條件變化并不會很明顯影響FAC速率；但對于粗糙表面的湍流，由于剪切應力可以足夠大到撕裂或剝離部分保護性氧化膜，FAC速率也相應要高得多。在相同流速的流體中，管壁粗糙度越大，對管壁材料FAC的影響就越大。

3)管路幾何形狀的影響。回路中彎頭、變徑管、三通、閥門、孔板、設備管口及其下游管道相對于直管段更容易發生嚴重FAC，因為在這些部位由于流體流速變大、湍流加劇，流體對管道內壁氧化膜的剝離作用也增大[10]。

4)流體含汽率的影響。當流體含汽率低時，流速增加和流型變化會導致邊界層變薄和不穩定，腐蝕產物的傳質阻力會相應減小，FAC腐蝕速率將增大。當含汽率較高時，由于管道中介質主要是蒸汽，電化學腐蝕幾乎將停止進行，FAC速率則會變得很小。

2.5 MSR運行工況分析

汽水分離再熱器內部發生FAC的部位為進汽腔室內壁、分離器底板、流量分配管及其上部腔室、再熱器水室內壁。這些部位由SA-516-70、SA-285-C材料制成。由于這兩個牌號的碳鋼不含Cr元素，因此在外界條件滿足時，以上部位必然成為FAC腐蝕敏感區。

再者，MSR進汽為汽輪機高壓缸的排汽，濕度為12.64%；MSR內部結構復雜，易產生湍流，碳鋼部位表面的保護性氧化膜遭到破壞；并且設備內部正常運行溫度處于180～280 ℃，涵蓋了FAC發生的溫度區間，因此MSR內部碳鋼部件及管道不可避免地發生了FAC。此外，二回路中為了降低蒸汽發生器給水溶解氧至合格值而加入了濃度為1%的聯氨溶液，這也在一定程度上增大了FAC速率。

3 減小FAC影響的控制措施

對于新建機組或更換汽水分離再熱器時，可從以下幾個方面進行FAC預防：

1)采用控Cr材料作為汽水分離再熱器殼體的主要材料，Cr含量≥1%。

2)優化汽水分離再熱器的結構，盡量避免或減小湍流情況的存在。

3)降低設備內壁的粗糙度。

4)在變徑管、三通、閥門、孔板、設備管口及其下游管道等部位表面堆焊一層高Cr含量的涂層或者更換成不銹鋼等更高級材料。

對于在役的汽水分離再熱器來說，提高其部件材料的鉻含量和改變其幾何構造已不可行，并且提高二回路介質的氧含量將不滿足蒸汽發生器的給水水質要求，因此可考慮從以下兩方面著手減小FAC的影響：

1)在汽水分離器的水側增加加藥裝置，以提高水側的pH值，降低FAC速率。

2)減少進汽中的水含量。可在汽水分離再熱器上游安裝一個前置汽水分離器，以減少進汽中的水含量。

3)定期跟蹤，提前預防。針對汽水分離再熱器FAC問題制定專門的監測及檢修計劃，對FAC敏感部位定期進行厚度檢測，測點的選擇和分布務必滿足FAC管理的需要；一旦發現部件或管道厚度即將不滿足運行要求，應及時進行維修或更換；同時可利用FAC專業預測軟件開展敏感部位管道剩余壽命的評價與管理，通過分析獲得壁厚減薄的趨勢，并動態調整和優化所制定的監測及檢修計劃。

4 結束語

汽水分離再熱器作為核電廠二回路的主要設備，其運行狀況直接影響核電機組的安全穩定運行，因此設備的FAC問題應當予以重視。設計時要從設備材料和結構方面采取相應措施，從根本上避免或降低FAC帶來的影響；運行時要從水化學、運行條件優化以及監檢測等方面積極采取相應管理和技術措施，避免因FAC導致安全質量事件的發生。