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摘要：以田湾核电站为例，二回路汽水循环系统内部为流动的高温、高压蒸汽或凝结水，为了全面和深入的掌握二回路汽水循环系统可能发生的腐蚀问题，包括内部的流动加速腐蚀（FAC），外部的海洋性大气腐蚀和保温层下腐蚀等。本文以FAC为例，并结合大修期间的腐蚀检查，从FAC机理和影响因素的角度详细阐述相关的腐蚀问题，以及对应的减缓或消除FAC的管理措施。
关键词：二回路汽水循环系统、流动加速腐蚀
1.引言
田湾核电站二回路汽水循环系统主要包括蒸汽系统、给水系统、凝结水系统和疏水系统等。二回路的管道和设备运行时，内部为流动的高温、高压蒸汽或凝结水，高温设备外部包覆保温层，低温设备外部涂装防腐涂层。腐蚀问题主要表现为内部的流动加速腐蚀（FAC），外部的海洋性大气腐蚀和保温层下腐蚀等。本文以FAC为例，从机理及其影响因素的角度详细阐述二回路汽水循环系统腐蚀的问题、以及相应的管理措施。
2.FAC机理
在机组运行过程中，管壁内表面覆盖了一层Fe3O4保护膜，在运离保护膜区域的主流区，其流体流速较快，而靠近氧化膜流体边界层的流速较慢，如果主流区中溶解的铁离子未达到饱和，则边界层中已经溶解的铁离子会不断向主流区中迁移，因而在边界层中溶解的铁也处于不饱和状态，故氧化膜中的铁就会溶解到未饱和的边界层中，使Fe3O4氧化膜以一定的速率溶解。另外氧化膜的孔隙内填有水，金属基体腐蚀产生的铁离子可通过通道直接扩散到氧化膜外的边界层。这三个区域（主流区、边界层、氧化膜）不断发生溶解铁的迁移，而高速流动的水又将迁移于水中的溶解铁带走，从而导致管件内表面的不断腐蚀，这个过程称为FAC发生的机理。
3.FAC的影响因素
结合FAC发生过程中所需的条件，可确定影响FAC的因素有三类，即流体动力学因素、环境因素及金属学因素。各因素对FAC的作用情况如下：
3.1流体动力学因素
该因素包括流速、管壁粗糙度、管路几何形状和流体含汽率等。这些参数的变化会影响腐蚀产物通过边界层扩散到主流中的传质速率，从而影响FAC速率。比如，管壁减薄随管道内介质流速增加而增大；在同样的流速流体中，管壁粗糙度越大，其对管壁材料FAC的影响也就越大；当流体介质中的含汽率较低时，蒸汽的存在会增加流动的混乱度，使边界层变得不稳定而减薄，从而导致传质阻力的减小，FAC速率会加快。
3.2环境因素
环境因素包括温度、pH值、溶解氧、联氨和水的纯度等。
3.3金属学因素
金属学因素主要指材料的化学成份。管件表面的氧化膜稳定性、溶解度与材料的化学成份相关。相关研究已经表明，铬、钼、铜元素均能降低FAC速率，但钼、铜元素抗FAC的性能没有铬元素显著。
4.田湾核电站二回路汽水循环系统FAC问题
根据以上FAC的机理以及相关的影响因素，在大修期间对电站二回路汽水循环系统设备的腐蚀状态进行了检查，发现疏水系统的一些小管径管段（直径小于Ф30mm）出现了管道的壁厚减薄，有的管道壁厚甚至只剩原壁厚的40%。经过对其中一段管道进行分析可知：
1）碳钢管道母材的Cr含量均仅有0.1％～0.2％，弯头内表面氧化膜主要是Fe3O4，而Fe3O4膜抗流体侵蚀能力较差，该氧化膜疏松多孔，基体金属离子容易通过这些空隙到达氧化膜/水界面而发生溶解。
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2）从管道弯头处的宏观、微观形貌上看，弯管肘部内壁及破口处有明显的流体冲刷痕迹，且沿流体的流动方向呈橘皮状（典型的FAC宏观形貌特征）。
3）从该段管道的工作环境来看，该管段处在106℃～172℃运行温度之间，并且管道内部的流体为汽液混合两相液或单相高温水。根据国内外电站的运行经验，在该工况条件下，碳钢管道对FAC较为敏感。
4）力学分析表明，弯头附近材料的显微硬度与管道其它部位的显微硬度相当，即腐蚀并没有导致材料的机械性能下降。
5）金相分析显示，材料内表面的晶粒形状、取向、尺寸等与基体没有明显差别，这说明管道减薄的原因是金属离子不断溶解在水中的过程，该过程对材料的微观结构和力学性能没有影响。
因此，通过以上分析手段，发现疏水系统的这些小管径管段发生壁厚减薄的原因是FAC。
5.减缓或消除FAC的的管理措施
根据以上分析，可以考虑从以下方面来减缓或消除FAC的影响：
1）材料
选择抗FAC性能好的材料是从根本上缓解和避免FAC问题的有效措施。合金成分对FAC的影响主要体现在Cr、Mo两种元素的含量上。含Cr量只要超过1％就能显著提高合金的抗FAC性能，因此，不锈钢设备和管道基本上不存在FAC隐患。
因此，在新电站建设期间，需要明确提出对二回路材料含Cr量的要求，从根本上抑制二回路FAC问题。对已运行核电站，应对FAC敏感部位的材料进行及时更换。
2）水化学控制
给水pH值对FAC有重要影响。在运行工况下，当pH升高到9.0，FAC速率降低。研究表明，pH为9.5时，FAC速率最低。因此，将pH值控制在9.5-10.0可以明显降低FAC速率。但应注意，升高pH值对其它组件的影响，特别是铜合金组件，其腐蚀速率随pH升高而升高，同时也要估计提高pH对蒸发器传热管二次侧腐蚀的影响。
3）定期检查
应针对电站中易发生FAC的二回路高能管道和设备制定系统的、定期的检查程序。对敏感设备和部位的超声测厚检查是发现管壁减薄、预防FAC破坏的重要手段。敏感设备和部位的确定主要是基于电站的部件材质，运行工况，并参考其它电站的运行经验反馈和分析。
6.结论
本文从老化机理、流体动力学因素、环境因素和金属学因素方面阐述了FAC机理发生的理论条件，并结合大修期间的腐蚀检查，明确了FAC发生的实际位置。在管理措施方面，通过材料的选择、水化学控制、定期检查等手段来减缓或消除电站FAC的问题，从而保证电厂安全可靠的运行。
参考文献
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论文作者:高颖
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/23
标签：回路论文; 因素论文; 管道论文; 循环系统论文; 机理论文; 流体论文; 速率论文; 《建筑学研究前沿》2017年第24期论文;