壓水堆核電廠二回路管道設計應對FAC策略

胡海彬

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

0 引言

我國核電建設正處于飛速發展階段，核電站運行的安全、可靠性是核電站設計最重要的原則。核電站中流動加速腐蝕(FAC)問題的危害已得到重視，本文根據關于FAC現象的研究和結論，在核電廠項目工程常規島設計中考慮應對FAC的策略，對常規島主要管道的材料、規格的選擇進行分析論證，在保證機組運行安全、可靠性的同時，兼顧電廠建設的經濟性，合理地進行主要管道系統的設計。

1 流動加速腐蝕(FAC)

美國電力研究院EPRI把流動加速腐蝕定義為：“碳鋼或低合金鋼表面正常氧化保護層溶解至水/汽水混合物流的過程”。

據統計1986年至1997年歐美各核電站發生多起管路系統和過流部件失效的事故，最終定性為因FAC引起的失效方式[1]。FAC是造成核電站管路系統及其他過流部件頻繁失效的主要原因，尤以壓水堆核電站二回路管路系統最為嚴重。

1.1 FAC的機理

FAC是一個化學腐蝕的過程，從動態的角度上理解，碳鋼表面覆蓋了一層 Fe3O4保護膜，在遠離這層保護膜的區域的主流區的流速較高，而靠近氧化膜的流體邊界層的流速較低，邊界層中已經溶解的鐵不斷地向主流區中遷移，水中溶解的鐵處于不飽和狀態，氧化膜中的鐵就會溶解到未飽和的邊界層中，從而使 Fe3O4氧化膜以一定的速率溶解，而高速流動的水又將遷移于水中的溶解鐵帶走，從而產生了碳鋼表面的不斷腐蝕[2]。

1.2 影響FAC的主要因素

FAC是一個復雜的過程，很難模擬在電廠運行工況和環境下FAC的實驗過程。目前雖然 提 出 了 如 Berge、Sanchez-Caldera、Steady-State、Chexal-Horowitz等各種FAC模型和FAC計算機數值模擬等分析方法，但均不能精確預測FAC的發生和發展[3]。

借鑒國外核電發達國家的先進經驗和研究成果，可以確定以下幾個影響FAC的主要因素：

1)管道材料的因素：主要是鋼材的化學成分；

2)流體介質的因素：主要包括介質的溫度、pH值、含氧量、流體含汽率等；

3)流體動力學因素：主要包括流速、流道形狀等。

1.3 流動加速腐蝕工程實例

國內外早期建設的壓水堆核電站中，主蒸汽、主給水、凝結水、疏水和部分抽汽系統的管道主要選用碳鋼材料。在某個投產運行僅5 a的壓水堆核電站工程中，汽輪機抽汽管道的壁厚發生大幅度減薄現象， 壁厚減薄發生在汽輪機二級抽汽管道上，管道規格φ377×8 mm，材料Q235B。在電廠進行的管道壁厚檢測中發現，抽汽管道匯流三通處下游的管段壁厚由設計的8 mm減薄至3.7～5.15 mm，并且在后續運行的3 a中，管系的大小頭、彎頭處也均發生壁厚大幅減薄的現象，最大減薄量達到6 mm。

管道內介質為9%濕度的蒸汽，運行壓力1.66 MPa，運行溫度203℃，最大保證出力工況下管內介質流速約37 m/s，短時間內管系出現明顯的沖蝕—腐蝕(erosion corrosion)現象，結合FAC的機理和發生的各項因素，綜合分析事件發生的特征，可以認為這是個比較典型的因FAC引起的失效。針對管系設計中材料選用和流速偏大的問題，修改管道規格為φ426×10 mm，將運行工況介質流速降到30 m/s以下，并將材料改為控鉻碳鋼，取得了較好效果，管系運行多年未再有壁厚大幅減薄的反饋。

2 壓水堆核電站常規島應對FAC發生的策略

在壓水堆二回路汽水管道設計中，針對影響FAC的各項因素，充分考慮相應的措施和方法，在管道材料的選擇、管道規格的選擇、介質流速的控制以及管道布置的設計等方面作了深入的研究和細致的工作。

2.1 管道材料的選擇

對于可能存在發生FAC隱患的相關管系中，材料的選取是至關重要的。為避免或緩解FAC現象的發生，需對下列二回路系統管道材料為碳鋼或低合金鋼、溫度在90～260℃之間的單相水和汽水兩相高能管道的化學成分(尤其是鉻含量)進行控制：

蒸汽系統(主蒸汽、抽汽、輔助蒸汽、主蒸汽疏水)

水系統(凝結水、給水、加熱器疏水和汽水分離再熱器(MSR)疏水)

2.1.1 主蒸汽、主給水管道

一般情況下，與核島接口的常規島主蒸汽和主給水管道材料與核島管道材料相同。可以采用控鉻優質碳素鋼或低合金鋼。

當采用碳鋼材料時，需控制碳鋼材料中的鉻含量，對于主蒸汽、主給水管道的鉻含量建議在0.15%以上。碳鋼管化學成分中的鉻含量由材料標準中的不加控制(規范標準中要求不大于某一數值)調整為確定鉻含量范圍。例如，ASME標準中A106B碳鋼管允許鉻含量最高至0.4%，沒有最小要求，建議在采購技術規格書中增加最小鉻含量(如0.2%)作為特殊訂貨條款和特別質量保證的強制要求，以保證合適的材料安裝在受FAC影響的系統中。

2.1.2 抽汽管道

由于壓水堆核電廠運行參數的特點，汽輪機各級抽汽介質一般為帶有一定濕度的蒸汽。根據抽汽管道的介質特點，建議采用低合金鋼材料。

各研究機構的研究成果表明，隨鉻含量的增加，其相應的抗沖蝕和腐蝕的能力明顯上升。德國KWU研究了低合金鋼鉻含量對沖蝕和腐蝕的影響，在特定的工作條件下，0.4%的鉻含量已有很好的抗沖蝕和腐蝕的能力[4]。

另外，根據西屋公司的工程經驗，對于抽汽管道來說，如采用碳鋼材料，大約是20 a的壽命，在核電站壽命期內需更換1～2次，如采用1.00%～1.50% 鉻含量的低合金鋼材料，可達到約40 a的壽命。如采用更高鉻含量的合金鋼材料則可以滿足核電站整個壽命期的運行。在近階段設計和建造的壓水堆核電站中，抽汽管道采用低合金鋼材料已達成共識，可以根據工程實際需求以及平衡電站運行和建設經濟性確定最終選材。

2.1.3 疏水管道

處于兩相流工況的管道，包括疏水管道以及調節閥、節流孔板等下游易產生紊流和汽化的管道，應選用Cr-Mo鋼或不銹鋼代替碳鋼材料。

美國 《先進輕水堆電力公司要求文件》(utility requirements document, URD)中關于核電站常規島二回路汽水系統的材料提出如下要求：“對于暴露在濕蒸汽、閃發流體而會引發顯著的沖刷的所有元件，應采用耐腐蝕/沖刷的材料。耐腐蝕/沖刷的程度應按元件所處的溫度、含濕量、濕蒸汽的流速條件而定。除了碳和錳之外，沒有添加過合金的碳素鋼，不能用于這種場合?！?/p>

綜上所述，根據以往的設計經驗和運行反饋，在設計上對常規島汽水系統的管道進行區分，針對不同的介質和運行工況選擇不同的材料：

單相流體一般采用碳鋼管的材料，鉻含量控制在0.15%～0.40%；

帶一定濕度的蒸汽管道采用低合金鋼材料，常用材料有A335 P11 (1.00%～1.50% 鉻)、A335 P22(1.90% ～ 2.60% 鉻 )；

對于兩相流以及調節閥、節流孔板等下游易產生紊流和汽化的管道采用合金鋼材料或不銹鋼材料。

2.2 流速和管道規格的選擇

法國CIRICO 試驗臺對引起磨蝕的有關規律進行了研究，根據各項實驗結果表明：在流速及Re值較高時，碳鋼的腐蝕速率就明顯加速，因此流速是造成這種腐蝕的主要因素[5]。

常規島二回路汽水管道管徑的選取應滿足要求的設計通流量，控制流速在合理的范圍，避免高流速引起的管道腐蝕。并且，在計算壁厚時應適當考慮腐蝕、磨損的影響。某核電工程常規島二回路主要汽水管道的運行參數以及管道材料選取和推薦的流速范圍，見表1所列。

表1 主要汽水管道的推薦流速(以某核電工程參數為例)

英國中央電力研究實驗室的試驗結果表明，對于碳鋼管道，單相流的腐蝕速率峰值出現在130～140℃之間。汽—液兩相流時，溫度影響峰值在150～200℃之間。研究表明，在惡劣的液相條件下，150～225℃之間仍能保持較高的沖蝕和腐蝕速率。

結合表1中各管道運行參數可以看出，壓水堆核電站二回路蒸汽主要是帶一定濕度的飽和蒸汽，且水和蒸汽介質的溫度在100～225℃之間，相當一部分管道及管道附件處在出現FAC現象峰值的工作溫度范圍內。

對于FAC敏感度較高的管線，尤其材料為碳鋼的管道，為減小FAC的發生速率，管道的流速的選取應滿足表1推薦流速的限定要求，并在一定合理范圍內盡可能降低介質的流速。

管道規格的選取除了滿足表1的介質流速限定外，還應滿足管系的設計壓力和設計溫度的要求。對于FAC敏感度較高的管線，其壁厚的選取可以適當考慮一定的腐蝕裕量。需要注意的是，由于導致FAC發生的因素較多，且一旦滿足發生條件，其發展相當迅速，單純地依靠增加壁厚的方法效果和意義不大。

總之，管道流速的確定、管徑壁厚的選擇不僅要考慮腐蝕的因素，而且應結合系統運行的效率和經濟性，進行合理地選取，并且在今后的電廠運行期間，應借鑒核電廠先進的管理經驗，對高流速、高能管線給以極大重視，加強對此類管線的監督、檢查工作，及早發現隱患，采取有效措施防止事故的發生。

2.3 管道布置

經過多年對FAC的研究和壓水堆核電站的實際運行經驗的總結，FAC經常發生在節流件的下游或者流動發生突變的部位，如節流裝置、膨脹節、彎頭、異徑管、三通等部位。因此，在管道的布置和管件的選取上，要注意考慮FAC的影響：

1)盡量限制小半徑彎管和彎頭的使用，宜采用大半徑彎管，并選用合適的管道坡度；

2)管道有獨立的疏水管線，避免疏水管線合并，當疏水管線必須合并時采用帶分支的母管或聯箱。

3)在滿足系統設計、設備布置、管道撓性和熱膨脹要求的條件下盡可能減少彎頭、大小頭的數量。

2.4 配合運行管理的管道設計和措施

除了在壓水堆核電站二回路管道設計上綜合考慮管道選材、介質流速控制、管道規格和優化布置等措施來降低FAC發生的風險外，鑒于壓水堆核電站影響FAC發生因素的多樣性和復雜性，且FAC發生進展迅速，造成的后果嚴重，還需要在核電站運行期間加強對所有FAC敏感系統和材料的監測和管理。為配合核電站的后期運行和管理，在建設投資允許的前提下，在FAC易發管系和部件特定位置處設計可拆卸保溫結構，以便于在電站全壽命期間對FAC敏感區域的管道、部件FAC腐蝕情況的監測。

一般情況下，符合以下條件的管道系統需加強FAC的檢測：

1)溫度≥93℃；

2)管道材料鉻含量＜1.25%；

3)兩相流，蒸汽濕度≥0.5%；

4)運行時間≥2%機組運行時間。

在易受FAC影響的系統中，流量擾動區域如節流孔、異徑管、彎管、三通、閥門以及泵進出口等特定區域范圍設置可拆卸保溫，以便機組運行期間采用超聲波進行管道壁厚的測量。測量范圍需包絡管件外形尺寸，并根據不同的介質流向和管件類型，延伸至1～2倍的管徑范圍處。

3 結論

從核電廠的運行實際經驗表明，FAC是造成核電站管路系統及其他過流部件頻繁失效的主要原因，壓水堆核電站二回路的水管路和濕蒸汽管路中尤為嚴重。防止核電站常規島設備和管道FAC的發生是關系到核電站長期安全可靠運行的重要問題。

根據以上的分析論證，結合核電廠項目的設計情況，在工程設計中采取有效的措施來應對流動加速腐蝕：

1) 在容易發生FAC的管道系統中采用含有一定鉻元素的低合金鋼或控制最低鉻含量的碳鋼材料。

2) 嚴格控制相關管線中的介質流速，綜合考慮運行的安全性和經濟性，合理地進行管徑和壁厚的選取。

3) 在管道布置上，充分考慮FAC的因素，優化管線布置和部件幾何形狀、尺寸，減少湍流的發生。

4) 在其他方面，采取可拆卸保溫的設計以配合壓水堆核電站全壽命周期的FAC監測和管理。