壓水堆核電機(jī)組二回路給水系統(tǒng)彎頭減薄原因分析

于 濤，邊春華，張 維，羅坤杰，王 力，李 巖（.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 34300；.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 5400）

壓水堆核電機(jī)組二回路給水系統(tǒng)彎頭減薄原因分析

于 濤1，邊春華1，張 維1，羅坤杰2，王 力2，李 巖2
（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215400）

2012年3月，某核電廠大修期間對(duì)二回路部分管線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)壁厚測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)彎頭存在壁厚減薄現(xiàn)象。文章對(duì)其中的一根彎頭在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了失效分析。利用超聲波測(cè)厚儀在實(shí)驗(yàn)室對(duì)換下的彎頭進(jìn)行壁厚測(cè)厚并利用等離子光譜發(fā)生儀等設(shè)備及分析手段對(duì)異常減薄部位和減薄一般部位進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明管壁異常減薄是由于流動(dòng)加速腐蝕（FAC）引起的。最后，根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，對(duì)管道的管理及變更提出了建議。

二回路管線；壁厚減?。涣鲃?dòng)加速腐蝕

管道的壁厚減薄現(xiàn)象多年來一直困擾著電力行業(yè)，尤其是核電廠的二回路。造成管道壁厚減薄的原因主要有：流動(dòng)加速腐蝕（FAC）、沖蝕、空泡腐蝕、閃蒸等。1986年及2004年，美國(guó)Surry核電廠2號(hào)機(jī)組和日本Mihama核電廠3號(hào)機(jī)組二回路均因某碳鋼管線發(fā)生FAC導(dǎo)致管線破裂、人員傷亡以致非計(jì)劃停堆[1-3]。通常認(rèn)為FAC是材料在靜止水中均勻腐蝕的一種擴(kuò)展，是碳鋼或低合金鋼（Cr含量小于0.2%）表面保護(hù)性的氧化膜在單相流或多相流作用下發(fā)生溶解、破壞的過程。由于氧化膜的不斷減薄，保護(hù)性能下降，腐蝕速率上升，材料發(fā)生減薄。2012年3月，該核電廠大修期間根據(jù)預(yù)先篩選出的敏感管線對(duì)部分二回路管線進(jìn)行了超聲波測(cè)厚。檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)二回路部分彎頭發(fā)生了異常減薄現(xiàn)象，而彎頭的外表面均無異常征兆，減薄位置主要位于彎頭入口的內(nèi)側(cè)和出口的外側(cè)。現(xiàn)場(chǎng)人員將發(fā)生嚴(yán)重減薄的彎頭更換，文章選取其中的一根彎頭進(jìn)行原因分析。

1 失效部件介紹

減薄彎頭屬于電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)，位于前置泵下游。位置、宏觀照片及測(cè)厚點(diǎn)如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)電動(dòng)主給水泵作為承載泵投入運(yùn)行，另一臺(tái)電動(dòng)主給水泵作為備用。如果這兩臺(tái)泵中有一臺(tái)脫扣，則備用電動(dòng)主給水泵迅速啟動(dòng)，以保證蒸汽發(fā)生器正常運(yùn)行。每臺(tái)電動(dòng)主給水泵組包括一臺(tái)前置泵和一臺(tái)壓力級(jí)泵。該泵組具有變速功能，能在反應(yīng)堆整個(gè)熱功率范圍內(nèi)滿足蒸汽發(fā)生器控制給水的流量要求。彎頭標(biāo)稱外徑406 mm、壁厚11 mm、設(shè)計(jì)流量2 298.5 m3/ h（流速5.5 m/s），設(shè)計(jì)材料為碳鋼ST45.8-Ⅲ（德標(biāo)DN17175）。根據(jù)核電廠數(shù)據(jù)，該彎頭內(nèi)給水運(yùn)行溫度149 ℃，為純液相，采用氨和聯(lián)氨調(diào)節(jié)pH，pH25維持在9.4～10.0之間，運(yùn)行時(shí)溶解氧小于0.5 ppb。

利用壁厚測(cè)厚儀（GE DM5E）按圖1（b）和圖1（c）所畫網(wǎng)格（周向劃分16等分、徑向每50 mm取1個(gè)點(diǎn)）對(duì)該彎頭進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)厚，結(jié)果顯示整個(gè)彎頭均發(fā)生了壁厚減薄，圖2中區(qū)域1和區(qū)域2位置為異常減薄區(qū)，其余為輕微減薄區(qū)域。區(qū)域1的平均厚度為7.0 mm，區(qū)域2的平均厚度為8.5 mm，其余位置壁厚值為9.5～10.5 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分分析

查閱設(shè)計(jì)資料，該管線材質(zhì)為ST45.8-Ⅲ，按標(biāo)準(zhǔn)DN17175制造。在彎頭上鉆屑取樣后，利用ICP及碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。雖然基體各元素含量均符合DN17175對(duì)ST45.8-Ⅲ的成分要求，但彎頭所含Cr含量極低（0.01%），屬于流動(dòng)加速腐蝕（FAC）敏感材料。

圖2 彎頭減薄位置分布Fig.2 Distribution of wall thinning locations

2.2 宏觀及微觀分析

在減薄區(qū)域1、減薄區(qū)域2以及輕微減薄區(qū)域位置取樣，編號(hào)分別為樣品1、樣品2和樣品3。樣品1和樣品3宏觀照片對(duì)比如圖3所示，可見樣品1發(fā)生了明顯的壁厚減薄，區(qū)域1的金屬損失已達(dá)到肉眼可見程度。

利用3D體視顯微鏡及掃描電鏡對(duì)樣品1至樣品3內(nèi)表面進(jìn)行宏觀及微觀分析。宏觀上看所有樣品內(nèi)表面均布滿了“馬蹄坑”或“蜂窩”狀凹坑。該形貌為典型的單相流引起的FAC形貌。根據(jù)經(jīng)典理論，F(xiàn)AC是碳鋼表面的氧化膜在流體的作用下發(fā)生局部溶解造成的。

圖3 樣品1和樣品3對(duì)比照片F(xiàn)ig.3 Comparison of specimen 1 & specimen 3

2.3 物相分析

利用X射線衍射儀對(duì)區(qū)域1（減薄嚴(yán)重區(qū)）內(nèi)壁進(jìn)行物相分析以檢測(cè)內(nèi)表面物相是否殘留有害元素，結(jié)果如圖4所示。減薄樣品內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4，除基體外未見其他物相及有害元素。

2.4 金相分析

圖4 區(qū)域1 XRD分析Fig.4 XRD analysis of district 1

樣品1和樣品3橫截面金相如圖5所示。內(nèi)壁都存在“波峰”及“波谷”，“波峰”及“波谷”處金相組織無異常，無塑性變形特征，證明此形貌不是由受沖擊造成的機(jī)械減薄引起的，而是化學(xué)作用引起的局部溶解。相較樣品3，樣品1內(nèi)壁凹坑深度大，寬度小，表明此處流體的作用更加劇烈，氧化膜破裂溶解的程度更高。

圖5 樣品1和樣品3橫截面金相Fig.5 Cross section metallography of specimen 1 and specimen 3

2.5 有限元及綜合分析

為了更好地研究彎頭內(nèi)單相流的流體狀態(tài)，采用有限元軟件ANSYS模擬計(jì)算彎頭內(nèi)流體的流速分布。設(shè)置彎頭模型：外徑406 mm，壁厚11 mm，入口流速為5.5 m/s，計(jì)算后，沿流向在彎頭內(nèi)部入口處、1/4長(zhǎng)度處、3/4長(zhǎng)度處和出口處分別截取截面，研究流速的分布狀況，如圖6所示。

從圖6中可以看出，在彎頭入口處，內(nèi)側(cè)的速度較大，同時(shí)也形成了較大的速度梯度，這必然將導(dǎo)致內(nèi)側(cè)的流體邊界層變薄，剪切應(yīng)力和傳質(zhì)系數(shù)增大（傳質(zhì)系數(shù)增大，氧化膜溶解產(chǎn)生的鐵離子傳遞速率增大），從而加速腐蝕速率；在彎頭內(nèi)部沿著流體流向，內(nèi)側(cè)的速度梯度開始變小，速度梯度的最大值位置開始向兩側(cè)移動(dòng)，到出口處時(shí)速度梯度的最大值位置已經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到外側(cè)。彎頭外側(cè)邊界層較薄，傳質(zhì)系數(shù)和流體紊亂度較大。從傳質(zhì)速率角度來說，該彎頭入口的內(nèi)側(cè)和出口的外側(cè)是FAC的敏感位置，這與文章中彎頭實(shí)際發(fā)生異常減薄的位置基本一致（也與本次大修中其余單相流彎頭的減薄位置基本一致）。因此，結(jié)合2.1～2.5節(jié)的分析以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料、案例[4-7]，研判該彎頭減薄是FAC引起的。

圖6 彎頭內(nèi)不同截面流速分布情況Fig.6 Flow rate distribution of different cross sections in an elbow

3 結(jié)論與建議

文中電動(dòng)給水泵系統(tǒng)中前置泵下游彎頭的異常減薄是由FAC引起的。根據(jù)核電廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及核電用材料的最近發(fā)展，為了更好地保障核電廠的運(yùn)行安全，建議如下：

1）加強(qiáng)二回路FAC風(fēng)險(xiǎn)管道的監(jiān)督和管理，建立行之有效的FAC老化管理大綱，進(jìn)行管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及敏感部位篩選，制訂合理的管道測(cè)厚計(jì)劃，做好數(shù)據(jù)的積累及分析工作，按照FAC管理大綱對(duì)壁厚異常減薄的管線進(jìn)行更換。

2）提高材料中Cr含量，建議在核電廠新建或二回路管道更換時(shí)，針對(duì)FAC風(fēng)險(xiǎn)位置采用控Cr鋼種，使材料中Cr含量達(dá)到0.2%～0.3%，這可提高材料表面氧化膜的致密性，減輕FAC敏感性。

[1] 嚴(yán)卓奇．流量加速腐蝕對(duì)核電站二回路材料影響及對(duì)策的研究[D]．碩士學(xué)位論文．上海：上海交通大學(xué)，2007．（YAN Zhuo-qi, Study on the Influence of Flow Accelerated Corrosion on Secondary Materials and Countermeasures[D]. Master thesis. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007.）

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[7] Uchida S, Naitoh M, Uehara Y, Okada H, Hiranuma N, Sugino W, Koshizuka S. J Nucl Sci Technol, 2009; 46: 31.

Cause Analysis for Elbow Thinning of the Secondary Loop Feedwater System in PWR NPP

YU Tao1，BIAN Chun-hua1，ZHANG Wei1，LUO Kun-jie2，WANG Li2，LI Yan2
(1. Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., CNNC, Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China；2. Suzhou Nuclear Power Institute, Suzhou of Jiangsu Prov. 215400，China)

Wall thickness of some secondary system pipelines were measured on site during the refueling outages in March 2012. Wall thinning happened in some components of APA system. This paper focused on the cause analysis of an elbow with that phenomenon. Wall thickness was carefully measured in laboratory using ultrasonic thickness meter and found that wall thinning happened nearly all elbows including two abnormal thinning regions. Analytical research was conducted using ICP, stereo microscope, SEM ,XRD, ANSYS. The result shows that the cause of wall thinning is flow accelerated corrosion. Based on the analysis result and international research progress, this paper makes some suggestions to avoid and alleviate FAC in the secondary system.

pipelines of the secondary system；wall thinning；flow accelerated corrosion

TL33 Article character:A Article ID:1674-1617(2013)02-0177-05

TL33

A

1674-1617(2013)02-0177-05

2012-10-09

于 濤（1972—），男，山東人，高級(jí)工程師，從事核電廠運(yùn)行及技術(shù)管理方面的工作。