核電廠蒸發器汽水分離器旋流葉片共模評估

尉言輝，高路楊，張 侖，郁光廷

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

1 事件概述

2019 年，國外某核電廠大修期間，在蒸汽發生器（SG）傳熱管檢查過程中出現了異常信號，發現傳熱管支撐板頂端有金屬碎片異物，尺寸約8.9 cm×7.8 cm×（0.3～0.9）mm。經檢查，發現該異物來自于SG 汽水分離器一級分離葉片處，經失效分析確認為汽水分離器發生了FAC（Flow-Accelerated Corrosion，流體加速腐蝕）。汽水分離器腐蝕情況如圖1 所示。

圖1 汽水分離器一級分離葉片腐蝕情況

2 流動加速腐蝕機理

FAC 是金屬管道材料失效的一種腐蝕形式，它區別于典型的沖蝕，是由電化學過程和物理相互作用而形成。電化學過程是造成FAC 的主要成因，而物理（流體動力學）對FAC的具有促進作用。單相液流或汽液兩相流將碳鋼或者低合金鋼表面的保護性Fe3O4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，表現為碳鋼管或低合金管的局部減薄。

基體材料中的鐵元素轉化為溶液中的離子一般要經歷3 個過程：①基體中的單質Fe 在基體表面失去電子轉化為Fe2+；②轉化成的Fe2+發生水合作用并轉化為磁鐵礦膜（Fe3O4），或者直接通過氧化膜擴散到溶液中；③受溶液中H+的作用，氧化膜（Fe3O4）在氧化膜/水界面處發生溶解，Fe3O4再次溶解形成Fe2+、FeOH+、HFeO2-等，并最終擴散到溶液中（圖2）[1-2]。

圖2 FAC 機理模型

影響FAC 的因素眾多，綜合起來主要有流體動力學因素、材料因素及環境因素。

（1）流體動力學因素，包括流體流速、管道表面粗糙度、管路幾何形狀、蒸汽品質或者雙相流體中的濕度等。在管道如彎頭、三通、大小頭、限流段和孔板下游等湍流部位，易發生FAC。

（2）材料因素，主要是指鋼的化學成分。影響較明顯的合金元素主要是Cr，通常質量分數1%的Cr 含量就能使FAC 速率降至很低，甚至可以忽略。另外，合金鋼中Cu 和Mo 的存在也能降低FAC 速率。

（3）環境因素，包括溫度、pH 值、氫和氧的濃度、氧化—還原電位、水中雜質等。

3 SG 汽水分離器運行工況分析

國外某核電廠蒸汽發生器汽水分離器采用CAP-2 型，發生FAC 的部位為一級分離旋流葉片頂板，該部位碳鋼材料不含Cr，因此該部位是FAC 的敏感區。另外，汽水分離器內的流質為飽和濕蒸汽，干度為10%～20%，運行溫度為200 ℃，處于FAC 發生的溫度區間，并且汽水分離器結構復雜，彎曲部位較多，易產生湍流，此處的保護性氧化膜易遭到破壞，以此汽水分離器一級分離旋流葉片處發生FAC 的情況較多。

4 模型評估腐蝕速率

為驗證SG 汽水分離器一級分離旋流葉片的腐蝕狀況，采用Chexal—Horowitz 模型進行減薄速率的分析計算。Chexal—Horowitz 模型的表達式為[3]：

式中，F1（T）為溫度影響因子；F2（AC）為合金成分（如Cr、Cu、Mo）影響因子；F3（MT）為傳質影響因子；F4（O2）為氧濃度影響因子；F5（pH）為pH 值影響因子；F6（G）為幾何構型影響因子；F7（α）為含汽率影響因子；F8（N2H4）為聯氨濃度影響因子。該公式中各影響因子均通過大量實驗和運行工況數據進行耦合定量運算而來，是一個經驗模型。

4.1 流場計算

流場計算建立單個汽水分離器幾何模型，分析其運行工況時分離器曲臂沿高度方向各截面的流速分布（圖3）。

圖3 汽水分離器幾何結構模型

分離器曲臂各截面氣體流速分布如圖4 所示。發生FAC 的部位在一級分離旋流葉片頂板處，因此從單筒來看，選取截面Y6 來計算流速分布值。除了分析單筒外，還要考慮66 只分離器的分布對其負荷的影響。圖5 為66 只分離器布置的俯視圖及其對應的整體負荷分布。從圖中可以看出，整體SG中各個分離器存在明顯的負荷不均勻。圖4f）中，截面Y6上大致相應位置的流速值（約2 m/s），為單筒在額定運行工況下的計算值，考慮整體負荷不均勻性的影響，該數據在局部的一些分離器（如冷側靠內圈等）會更大。目前沒有負荷偏差大小的數據做參考，為使模型輸入的速度范圍盡可能覆蓋最大速度，采用分離器試驗臨界負荷的方法來確定最大速度，這種方法相對較為保守。在本次計算中，假定該分離器性能試驗的臨界負荷為250%的額定負荷，分離器頂板流速確定范圍為2.0～5.2 m/s。

圖4 Y1～Y6 各截面汽體流速分布

圖5 66 只分離器布置的俯視圖及其對應的整體負荷分布

4.2 水化學參數

由于無法獲取蒸汽發生器二次側大空間水質參數，故將SG汽水分離器近似為二回路汽水分離器（MSR）處理。對應的水化學參數見表1。

表1 FAC 模型水化學參數

4.3 評估結果

根據圖6 搭建汽水分離器一級分離旋流葉片計算構型，表2為在濕蒸汽不同焓值、不同速率條件下，一級分離葉片不同部位的FAC 速率計算值。從表2 可以看出，減薄速率嚴重的部位為旋流葉片的頂部，最快達到0.217 mm/y。驗證結果與實際腐蝕情況一致。其中，減薄速率為根據旋流葉片頂板處流質不同流速計算所得。

表2 國外某電廠SG 汽水分離器一級分離旋流葉片處FAC 速率 mm/y

圖6 汽水分離器一級分離旋流葉片計算構型

5 國內類似電站共模分析

與國外某核電廠相比，國內某核電站機組SG 汽水分離器有類似設計，但是區別在于材料中的Cr 含量有所提高，達到0.08%～0.17%，其他成分基本相同。根據此材料成分進行減薄速率的分析計算，對應結果如表3 所示。

表3 國內某電廠SG 汽水分離器一級分離旋流葉片處FAC 速率 mm/y

Cr 含量提高后，部件的減薄速率明顯下降，最敏感的部位頂板的速率為0.002～0.018 mm/y。隨著腐蝕時間增加，材料基體表面和內部滲出的Cr 形成尖晶石FeCr2O4保護層。該保護層在高溫、高壓水中的溶解度和體積較Fe3O4低、致密性更佳，是碳鋼材料抗FAC 的主要因素之一[4]。

經確認，國內同類型核電站于大修期間對蒸發器二次側一級汽水分離器旋流葉片實施了測厚檢查。檢查方法為超聲測厚法，檢查對象為蒸汽發生器二次側中心孔周邊的6 個旋流葉片頂板，旋流葉片頂板的名義壁厚為2.0 mm。根據檢查結果可知，6 個頂板減薄量極小，減薄速率最大為0.012 mm/y，與計算預測值一致（表4）。

表4 一級汽水分離旋流葉片檢查結果

6 結束語

國外核電廠汽水分離器一級分離旋流葉片部位的模擬驗證計算結果顯示，頂板和葉片處FAC 速率較筒體高，頂板處最高達到0.217 mm/y，與實際腐蝕情況一致。國內同類型電廠汽水分離器一級分離旋流葉片部位FAC 的腐蝕與國外電廠腐蝕趨勢一致，頂板和葉片處FAC 速率較筒體高。但由于合金中Cr 成分顯著提高，整體腐蝕速率較小，最高為頂板處0.012 mm/y，與實際大修結果一致。電廠的實際運行經驗和模擬分析均表明，對于核電廠蒸汽發生器而言，提高汽水分離器材料的Cr 含量能夠有效降低FAC 速率。