摘 要:某核電廠高壓加熱器系統(tǒng)疏水器在服役過程中發(fā)生局部減薄,采用宏觀觀察、化學(xué)成分 分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析及X射線衍射等方法對(duì)疏水器壁厚減薄原因進(jìn)行了分析,并對(duì)疏水 器流道的流態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明:高流速介質(zhì)的沖刷減薄及流體加速腐蝕減薄是造成疏 水器減薄穿孔失效的直接原因;閥體內(nèi)表面脫碳導(dǎo)致材料的硬度降低、抗沖刷能力和耐腐蝕性減 弱,從而加速了閥體的壁厚減薄。 

關(guān)鍵詞:疏水器;沖刷;腐蝕;流態(tài)模擬;減薄 

中圖分類號(hào):TG178;TG115.2                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                     文章編號(hào):1001-4012(2023)08-0059-04

核電廠二回路汽水管線主要包括主蒸汽管線、 主給水管線、凝結(jié)水管線、疏水管線、抽汽管線、再熱 蒸汽管線等。管線中存在彎頭、三通、節(jié)流孔板、疏 水閥等結(jié)構(gòu)形狀變化顯著且易發(fā)生湍流的部位。因 管道或管件壁厚減薄產(chǎn)生的安全事故在國內(nèi)外核電 站多有發(fā)生[1]。這些管道或管件的減薄受管線的材 料、形狀、服役環(huán)境等因素的影響,往往會(huì)發(fā)生流動(dòng) 加速腐蝕(FAC)、液滴沖擊、汽蝕等[2-5]。目前,對(duì)汽 水管道或管件的減薄已開展了較多研究,在設(shè)計(jì)、選 材、檢測(cè)、評(píng)估及老化管理等方面都取得了良好 成效。

高壓加熱器系統(tǒng)(AHP)疏水器的作用為及時(shí) 排走冷凝水,提升高壓加熱器進(jìn)口蒸汽的品質(zhì),以及 提高高壓加熱器的加熱效率,一旦該系統(tǒng)發(fā)生泄漏, 核電廠高壓加熱器的運(yùn)行就存在安全隱患,同時(shí)泄 漏的高溫、高壓水也可能對(duì)附近的人員造成嚴(yán)重傷 害。筆者以國內(nèi)某核電廠服役10a,且發(fā)生明顯減 薄的 AHP疏水器為分析對(duì)象,采用一系列理化檢 驗(yàn)方法分析了該疏水器發(fā)生減薄的原因,結(jié)果可為 AHP疏水器工程應(yīng)用及服役壽命評(píng)估提供參考。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察

壁厚減薄疏水器材料為 GP240GH 鋼,其宏觀 形貌如圖1所示。由圖1可知:疏水器內(nèi)壁整體無 明顯腐蝕產(chǎn)物,減薄部位為疏水閥閥座出口的下游 位置,原始孔徑顯著擴(kuò)大;減薄位置均為疏水器本 體,無焊縫等特殊結(jié)構(gòu);減薄部位表面凹凸不平,形 貌粗糙,部分位置存在溝槽狀的沖刷形貌,最薄處厚 度僅約為原始壁厚的1/5。

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀分析疏水器材料的化學(xué)成分,結(jié) 果如表1所示,由表1可知,其化學(xué)成分符合 EN 10213-1—1996《承壓鑄鋼件的交貨技術(shù)條件》的要求.

1.3 金相檢驗(yàn) 

采用線切割方式截取疏水閥閥座出口減薄量小 及減薄量大部位,制作金相試樣,減薄量小部位截面 顯微組織形貌如圖2所示,減薄量大部位截面顯微 組織形貌如圖3所示。由圖2,3可知:疏水器基體 組織均為鐵素體+珠光體,呈等軸分布,未見明顯異 常;內(nèi)表面存在明顯的全脫碳及半脫碳的脫碳層,脫 碳層深度約為300μm~400μm;未見明顯減薄部 位,脫碳層呈凹凸?fàn)?存在明顯的尖角及沖刷狀形 貌,局部存在明顯氧化皮,為沖刷減薄處。減薄量大 部位未見脫碳層,內(nèi)表面脫碳層已消失,基體鐵素體 +珠光體橫截面呈波浪狀,較為平滑,未見明顯的硬 化痕跡,呈典型流體加速腐蝕形貌。該形貌主要是 化學(xué)作用造成氧化膜的溶解減薄,而非受到較大外 力作用下形成的機(jī)械剝離,其微觀形貌較為平滑,無 明顯的液滴沖擊變形痕跡。

1.4 掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)分析

對(duì)疏水閥閥座出口減薄量小部位及減薄量大部 位分別取樣,采用SEM 和 XRD對(duì)試樣進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖4,5所示。由圖4可知,材料表面呈山丘狀形貌,底層氧化膜不平整,呈片狀分布,表面氧化 物疏松,大量的氧化物顆粒堆積在表面,氧化物主要 成分是Fe3O4和FeO。由圖5可知,材料表面呈不 規(guī)則形貌,表面附著有極少量氧化物顆粒,氧化物主 要成分為Fe,存在少量Fe2O3。

1.5 流體作用分析 

疏水器減薄處位于疏水器流道內(nèi)壁,其結(jié)構(gòu)比 較復(fù)雜,為明確減薄原因,利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 方法進(jìn)行分析模擬。提取疏水器內(nèi)部流道區(qū)域,建 立幾何模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格,疏水器內(nèi)部流道三維 圖如圖6所示。根據(jù)疏水器設(shè)計(jì)參數(shù),得到入口流 速為5m/s,作為邊界條件輸入仿真模型,開展數(shù)值 迭代計(jì)算。根據(jù)疏水流動(dòng)特性,采用湍流模型,壓力 與速度耦合采用二階迎風(fēng)格式,適當(dāng)減小松弛因子, 保證計(jì)算收斂性。設(shè)置殘差為10-5,執(zhí)行迭代計(jì)算,直至結(jié)果收斂。圖7為中分面(yz平面)處速度 分布云圖及速度矢量分布圖。對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沖刷情 況可知,流體在經(jīng)過進(jìn)口連接管后流入下方腔室(浮 球所在位置區(qū)域),再進(jìn)入出口連接腔室,后經(jīng)由反 Z型出口連接管從出口流出。在出口連接管位置, 由于兩個(gè)彎折位置較為接近,因此在兩個(gè)彎頭連接的直管區(qū)域容易產(chǎn)生沖刷效應(yīng)。由圖7可知:由于 連續(xù)彎折的存在,兩個(gè)彎頭部位(紅圈處)流速相對(duì) 較快,流體沖刷作用明顯,長期累積后會(huì)在該位置產(chǎn) 生明顯的壁厚減薄現(xiàn)象,該現(xiàn)象與疏水器實(shí)際減薄 過程相符。 

2 綜合分析 

2.1 疏水器材料分析 

疏水器基體顯微組織為鐵素體+珠光體,內(nèi)表 面存在明顯的全脫碳層及半脫碳層,脫碳層深度約 為300μm~400μm。脫碳層的存在導(dǎo)致閥體內(nèi)表 面材料硬度偏低,抗沖刷能力較差,閥體材料耐腐蝕 性差;材料化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但 Cr元素含量 非常低,Cr元素含量越高對(duì)流體加速腐蝕的抑制作 用越強(qiáng),Cr元素含量越低,材料越容易發(fā)生流體加 速腐蝕,而實(shí)際材料Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.06%, 該材料為流體加速腐蝕敏感材料。

2.2 疏水器減薄原因分析 

疏水器內(nèi)壁承載的是高溫、高壓飽和水和蒸汽 的汽液兩相流,疏水器內(nèi)浮球?qū)⒁簯B(tài)水和水蒸氣分 離,然后分別排走,出現(xiàn)減薄的部位在液態(tài)水的排出 口附近。根據(jù)流體模擬分析結(jié)果可知,在出口連接 管位置,流速相對(duì)較高,流體沖刷作用明顯。脫碳層 的存在加速了閥體的沖刷減薄進(jìn)程。脫碳層為凹凸 狀,呈現(xiàn)明顯的尖角及沖刷狀形貌,局部存在明顯氧 化皮,表明疏水器內(nèi)壁主要發(fā)生流體沖刷減薄。

疏水器內(nèi)部介質(zhì)由氨水和聯(lián)胺進(jìn)行堿化處理, 呈弱堿性,含氧量較低。根據(jù)材料化學(xué)成分分析結(jié) 果可知,疏水器材料中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常低,僅 為0.06%,為FAC敏感材料。針對(duì)減薄量大區(qū)域, 從腐蝕形貌來看,疏水器內(nèi)部流道內(nèi)表面整體附著 一層黑色氧化物,減薄部位呈馬蹄坑狀形貌,橫截面 較為平滑,無明顯的硬化痕跡。結(jié)合SEM 分析可 知,表面附著有極少量氧化物顆粒,且存在氧化膜溶 解現(xiàn)象,為典型FAC形貌。對(duì)比FAC發(fā)生條件和 實(shí)際工況(見表2)可知,實(shí)際條件和FAC發(fā)生條件 保持一致。FAC的敏感溫度為100~300 ℃,而實(shí) 際溫度為234℃,具備發(fā)生FAC的溫度條件;疏水 器內(nèi)部呈弱堿性,溶液中含有一定量的 OH- ,有利 于Fe3O4 的形成,符合FAC發(fā)生條件;內(nèi)部介質(zhì)氧 元素含量很低,同時(shí)含有一定量的聯(lián)胺,使得介質(zhì)處 于還原性較強(qiáng)的環(huán)境中,該條件下很難形成高價(jià)鐵氧化物,最容易形成的氧化物就是Fe3O4,經(jīng)分析管 道內(nèi)表面黑色氧化物主要成分為Fe3O4,與FAC產(chǎn) 物一致。結(jié)合減薄量大區(qū)域的宏觀及微觀形貌可 知,減薄量大區(qū)域主要發(fā)生 FAC減薄。根據(jù) FAC 機(jī)理,流速越大,湍流越強(qiáng)烈,FAC速率越大。結(jié)合 CFD模擬結(jié)果可知,流道出口附近部位湍流非常劇 烈,提高了氧的擴(kuò)散速率,流體邊界層內(nèi)氧元素濃度 梯度較大,使得鐵元素的氧化反應(yīng)得到加速,FAC 速率增加,使得該部位出現(xiàn)減薄,長期運(yùn)行甚至可致 其穿孔。 

3 結(jié)論 

(1)疏水器發(fā)生減薄穿孔失效的直接原因是高 流速介質(zhì)的沖刷減薄及流體加速腐蝕減薄。 

(2)閥體內(nèi)表面脫碳導(dǎo)致材料硬度偏低,抗沖 刷能力較差,閥體材料的耐腐蝕性變差,間接加速了 閥體的沖刷減薄。 

(3)閥體內(nèi)部介質(zhì)流場(chǎng)的變化是由閥體結(jié)構(gòu)引 起的,流速不均導(dǎo)致了閥體局部壁厚減薄。

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<文章來源 >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 8期 (pp:59-62)>