核电厂疏水器壁厚减薄原因.pdf

59质量控制与失效分析PTCA(PARTAPHYS.TEST.)2023年第59 卷81理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl202308015核电厂疏水器壁厚减薄原因高?超，蒲晶菁，张度宝，刘忠？，廖雪波（1.福建宁德核电有限公司，宁德352 0 0 0；2.苏州热工研究院有限公司国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心，苏州2 150 0 4)摘 要：某核电厂高压加热器系统疏水器在服役过程中发生局部减薄，采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析及X射线衍射等方法对疏水器壁厚减薄原因进行了分析，并对疏水器流道的流态进行了模拟计算。结果表明：高流速介质的冲刷减薄及流体加速腐蚀减薄是造成疏水器减薄穿孔失效的直接原因；阀体内表面脱碳导致材料的硬度降低、抗冲刷能力和耐腐蚀性减弱，从而加速了阀体的壁厚减薄。关键词：疏水器；冲刷；腐蚀；流态模拟；减薄中图分类号：TG178；T G 115.2文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12(2 0 2 3)0 8-0 0 59-0 4Causes of wall thickness reduction of nuclearplant steam trapowerGAO Chao,PU Jingjing,ZHANG Dubao,LIU Zhong,LIAO Xuebo(1.Fujian Ningde Nuclear Power Co.,Ltd.,Ningde 352000,China;2.National Engineering Research Center for Nuclear Power Plant Safety&Reliability,Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou 215004,China)Abstract:The local thinning of the high-pressure heater system of a nuclear power plant occurred during theservice process.The reasons for the thinning of the wall thickness of the trap were analyzed by means ofmacroscopic observation,chemical composition analysis,metallographic examination,scanning electron microscopeanalysis and X-ray diffraction,and the flow pattern of the trap channel was simulated.The results show that theerosion thinning of high velocity medium and the fluid accelerated corrosion thinning were the direct causes of thethinning perforation failure of the trap.The decarburization of the inner surface of the valve body led to the decreaseof the hardness,erosion resistance and corrosion resistance of the material,which accelerated the wall thicknessreduction of the valve body.Keywords:steam trap;scouring;corrosion;flow simulation;thinning核电厂二回路汽水管线主要包括主蒸汽管线、主给水管线、凝结水管线、疏水管线、抽汽管线、再热蒸汽管线等。管线中存在弯头、三通、节流孔板、疏水阀等结构形状变化显著且易发生湍流的部位。因管道或管件壁厚减薄产生的安全事故在国内外核电站多有发生1。这些管道或管件的减薄受管线的材料、形状、服役环境等因素的影响，往往会发生流动加速腐蚀(FAC)、液滴冲击、汽蚀等2-5。目前,对汽收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 2作者简介：高超（198 8 一），男，本科，工程师，主要从事核电站设备防腐和材料失效分析工作通信作者：蒲晶菁，水管道或管件的减薄已开展了较多研究，在设计、选材、检测、评估及老化管理等方面都取得了良好成效。高压加热器系统（AHP)疏水器的作用为及时排走冷凝水，提升高压加热器进口蒸汽的品质，以及提高高压加热器的加热效率，一旦该系统发生泄漏，核电厂高压加热器的运行就存在安全隐患，同时泄漏的高温、高压水也可能对附近的人员造成严重伤害。笔者以国内某核电厂服役10 a，且发生明显减薄的AHP疏水器为分析对象，采用一系列理化检验方法分析了该疏水器发生减薄的原因，结果可为AHP疏水器工程应用及服役寿命评估提供参考。60高超，等：核电厂疏水器壁厚减薄原因理化检验-物理分册1理化检验1.1宏观观察壁厚减薄疏水器材料为GP240GH钢，其宏观形貌如图1所示。由图1可知：疏水器内壁整体无明显腐蚀产物，减薄部位为疏水阀阀座出口的下游位置，原始孔径显著扩大；减薄位置均为疏水器本体，无焊缝等特殊结构；减薄部位表面凹凸不平，形貌粗糙，部分位置存在沟槽状的冲刷形貌，最薄处厚度仅约为原始壁厚的1/5。图1壁厚减薄疏水器宏观形貌1.2化学成分分析采用直读光谱仪分析疏水器材料的化学成分，结果如表1所示，由表1可知，其化学成分符合EN10213-1一1996 承压铸钢件的交货技术条件的要求。表1疏水器化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnPSCrNi实测值0.230.500.850.010.0100.060.030.18标准值0.250.601.200.0300.0201.3金相检验采用线切割方式截取疏水阀阀座出口减薄量小及减薄量大部位，制作金相试样，减薄量小部位截面显微组织形貌如图2 所示，减薄量大部位截面显微组织形貌如图3所示。由图2，3可知：疏水器基体组织均为铁素体十珠光体，呈等轴分布，未见明显异常；内表面存在明显的全脱碳及半脱碳的脱碳层，脱碳层深度约为30 0 m40 0 m；未见明显减薄部位，脱碳层呈凹凸状，存在明显的尖角及冲刷状形貌，局部存在明显氧化皮，为冲刷减薄处。减薄量大部位未见脱碳层，内表面脱碳层已消失，基体铁素体十珠光体横截面呈波浪状，较为平滑，未见明显的硬化痕迹，呈典型流体加速腐蚀形貌。该形貌主要是化学作用造成氧化膜的溶解减薄，而非受到较大外力作用下形成的机械剥离，其微观形貌较为平滑，无明显的液滴冲击变形痕迹。100m50uma)低倍b)高倍图2减薄量小部位截面显微组织形貌100um50uma)低倍b)高倍图3减薄量大部位截面显微组织形貌1.4扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析对疏水阀阀座出口减薄量小部位及减薄量大部位分别取样，采用SEM和XRD对试样进行分析，结果如图4，5所示。由图4可知，材料表面呈山丘61高超，：核电厂一疏水器壁厚减薄原因理化检验-物理分册Fe,oFeo人50um2030405060 70809020/()a)SEM形貌b)XRD分析结果图4减薄量小处表面SEM形貌及XRD分析结果Fe.Fe,O.250m203040506070 809020/COa)SEM形貌b)XRD分析结果图5减薄量小处表面SEM形貌及XRD分析结果状形貌，底层氧化膜不平整，呈片状分布，表面氧化物疏松，大量的氧化物颗粒堆积在表面，氧化物主要成分是Fe:O4和FeO。由图5可知，材料表面呈不规则形貌，表面附着有极少量氧化物颗粒，氧化物主要成分为Fe,存在少量Fe2O3。1.5流体作用分析疏水器减薄处位于疏水器流道内壁，其结构比较复杂，为明确减薄原因，利用计算流体力学（CFD)方法进行分析模拟。提取疏水器内部流道区域，建立几何模型并划分计算网格，疏水器内部流道三维图如图6 所示。根据疏水器设计参数，得到入口流速为5m/s，作为边界条件输人仿真模型，开展数值迭代计算。根据疏水流动特性，采用流模型，压力与速度耦合采用二阶迎风格式，适当减小松弛因子，保证计算收敛性。设置残差为10-5，执行迭代计疏水进口疏水出口出口连接管进口连接管出口连接腔室下方腔室(浮球所在位置）图6疏水器内部流道三维图算，直至结果收敛。图7 为中分面（yz平面）处速度分布云图及速度矢量分布图。对照现场实际冲刷情况可知，流体在经过进口连接管后流人下方腔室（浮球所在位置区域），再进人出口连接腔室，后经由反乙型出口连接管从出口流出。在出口连接管位置，由于两个弯折位置较为接近，因此在两个弯头连接a）速度分布云图b）速度矢量分布图图7中分面（yz.平面）速度分布云图及速度矢量分布图62高超：核电疏水器壁厚减薄原因理化检验-物理分册的直管区域容易产生冲刷效应。由图7 可知：由于连续弯折的存在，两个弯头部位（红圈处)流速相对较快，流体冲刷作用明显，长期累积后会在该位置产生明显的壁厚减薄现象，该现象与疏水器实际减薄过程相符。2综合分析2.1疏水器材料分析疏水器基体显微组织为铁素体十珠光体，内表面存在明显的全脱碳层及半脱碳层，脱碳层深度约为30 0 m40 0 m。脱碳层的存在导致阀体内表面材料硬度偏低，抗冲刷能力较差，阀体材料耐腐蚀性差；材料化学成分满足标准要求，但Cr元素含量非常低，Cr元素含量越高对流体加速腐蚀的抑制作用越强，Cr元素含量越低，材料越容易发生流体加速腐蚀，而实际材料Cr元素质量分数仅为0.0 6%，该材料为流体加速腐蚀敏感材料。2.2疏水器减薄原因分析疏水器内壁承载的是高温、高压饱和水和蒸汽的汽液两相流，疏水器内浮球将液态水和水蒸气分离，然后分别排走，出现减薄的部位在液态水的排出口附近。根据流体模拟分析结果可知，在出口连接管位置，流速相对较高，流体冲刷作用明显。脱碳层的存在加速了阀体的冲刷减薄进程。脱碳层为凹凸状，呈现明显的尖角及冲刷状形貌，局部存在明显氧化皮，表明疏水器内壁主要发生流体冲刷减薄。疏水器内部介质由氨水和联胺进行碱化处理，呈弱碱性，含氧量较低。根据材料化学成分分析结果可知，疏水器材料中Cr元素质量分数非常低，仅为0.0 6%，为FAC敏感材料。针对减薄量大区域，从腐蚀形貌来看，疏水器内部流道内表面整体附着一层黑色氧化物，减薄部位呈马蹄坑状形貌，横截面较为平滑，无明显的硬化痕迹。结合SEM分析可知，表面附着有极少量氧化物颗粒，且存在氧化膜溶解现象，为典型FAC形貌。对比FAC发生条件和实际工况（见表2）可知，实际条件和FAC发生条件保持一致。FAC的敏感温度为10 0 30 0，而实际温度为2 34，具备发生FAC的温度条件；疏水器内部呈弱碱性，溶液中含有一定量的OH-，有利于Fe:O4的形成，符合FAC发生条件；内部介质氧元素含量很低，同时含有一定量的联胺，使得介质处于还原性较强的环境中，该条件下很难形成高价铁氧化物，最容易形成的氧化物就是Fe3O4，经分析管道内表面黑色氧化物主要成分为Fe:O4，与FAC产物一致。结合减薄量大区域的宏观及微观形貌可知，减薄量大区域主要发生FAC减薄。根据FAC机理，流速越大，湍流越强烈，FAC速率越大。结合CFD模拟结果可知，流道出口附近部位湍流非常剧烈，提高了氧的扩散速率，流体边界层内氧元素浓度梯度较大，使得铁元素的氧化反应得到加速，FAC速率增加，使得该部位出现减薄，长期运行甚至可致其穿孔。表2 FAC发生条件和实际工况对比项目FAC发生条件实际工况是否一致碳钢或低合金钢（Cr碳钢，2 0 碳钢（Cr元素材料是元素质量分数小于1%）质量分数为0.0 6%）温度/100300234是pH弱碱性（8.8 10.0）9.7是氧元素质量小于10-45X10-6是分数/%形貌黑色，马蹄状或橘皮状黑色，局部马蹄状是3结论（1）疏水器发生减薄穿孔失效的直接原因是高流速介质的冲刷减薄及流体加速腐蚀减薄。（2）阀体内表面脱碳导致材料硬度偏低，抗冲刷能力较差，阀体材料的耐腐蚀性变差，间接加速了阀体的冲刷减薄。（3）阀体内部介质流场的变化是由阀体结构引起的，流速不均导致了阀体局部壁厚减薄。参考文献：1束国刚，薛飞，递文新，等.核电厂管道的流体加速腐蚀及其老化管理J.腐蚀与防护，2 0 0 6，2 7（2）：7 2-76.2钟志民，郑会，李杰.核电厂二回路汽水管道局部减薄管理的挑战和应对J.腐蚀与防护，2 0 2 0，41（9）：39-44.3申罡.核电厂二回路冷却系统的冲蚀管理J.腐蚀与防护，2 0 18,39(7)：535-538.4NESIC S.Using computational fluid dynamics incombating erosion-corrosion J.Chemical Engineer-ingScience,2006,61(12):4086-4097.5张玉波，骆红云，钟群鹏.国内外失效评定曲线（FAC)的发展以及现状J.理化检验（物理分册），2 0 0 5，41(增刊1):50-54.