壓水堆核電廠硼結(jié)晶沖蝕現(xiàn)象數(shù)值分析

朱光昱，張祎王，林達(dá)平

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

硼酸結(jié)晶現(xiàn)象是二代改進(jìn)型壓水堆核電廠中的常見問題，美國的土耳其角(Turkey Point)核電廠曾在檢修過程中發(fā)現(xiàn)壓力容器頂蓋上沉積了約227 kg的硼結(jié)晶，這些結(jié)晶對頂蓋上的設(shè)備造成了明顯的腐蝕[1]。國內(nèi)某電廠也在換料大修階段在閥門盤根、法蘭和管道接頭等設(shè)備發(fā)現(xiàn)了大量的硼酸結(jié)晶[2]。

目前，硼結(jié)晶造成的設(shè)備腐蝕和管路阻塞問題已經(jīng)得到了足夠的重視，由于硼結(jié)晶一般是含硼水溫度降低或泄漏后水分蒸發(fā)形成的，因此核電廠涉硼系統(tǒng)通常規(guī)定了相應(yīng)的運(yùn)行溫度和定期攪拌操作。然而除上述主要危害之外，管道設(shè)備內(nèi)的硼結(jié)晶一旦脫落，在隨主流運(yùn)動的過程中會對下游管道產(chǎn)生沖蝕。與電廠中關(guān)注的微米級別固體顆粒沖蝕不同，硼結(jié)晶顆粒直徑可達(dá)毫米級甚至厘米級，因此單個結(jié)晶即可對管道產(chǎn)生沖蝕損害，國內(nèi)某電廠曾在管路中發(fā)現(xiàn)明顯劃痕并懷疑是由于硼酸結(jié)晶沖蝕導(dǎo)致的。管道或設(shè)備上的劃痕會破壞防腐蝕保護(hù)層或影響密封結(jié)構(gòu)性能，同時導(dǎo)致其他化學(xué)腐蝕過程更容易發(fā)生，從而降低管道設(shè)備的可靠性，因此需要對該現(xiàn)象進(jìn)行研究。對此，本文基于COMSOL Multiphysics軟件的CFD模塊對硼結(jié)晶沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了單個硼結(jié)晶質(zhì)量、硼結(jié)晶總質(zhì)量、結(jié)晶球形度和系統(tǒng)流量對局部沖蝕強(qiáng)度和管道質(zhì)量損失的影響。

1 仿真模型

對于二代改進(jìn)型核電廠，濃硼回路的硼含量較高且在每個換料大修期間需要將其中的水注入到一回來中，因此更容易發(fā)生硼結(jié)晶沖蝕的現(xiàn)象。本文針對上述過程采用沖蝕研究中經(jīng)典的90度彎管[3]建立計(jì)算模型，具體如圖1所示，管道內(nèi)徑d為66.7 mm，彎頭中心到端部距離為114 mm，直管長度為管道內(nèi)徑10倍使得流動充分發(fā)展。換料大修期間將濃硼水注入一回路的流量一般為50 m3·h-1，折算流速約為0.993 8 m·s-1，此時已經(jīng)處于旺盛的湍流狀態(tài)，需要選取適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?。由于模型結(jié)構(gòu)相對簡單，各類湍流模型計(jì)算的流場分布僅存在微小差異，對此本文選取適用于強(qiáng)流線彎曲流場計(jì)算的Realizable k-ε模型[4]計(jì)算管內(nèi)流場，以確保局部流場的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格建立過程采用Y Plus值50作為第一層網(wǎng)格的厚度，為了較少計(jì)算量建立了面對稱模型，最終采用的網(wǎng)格數(shù)量為25 020。

圖1 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分Fig.1 Calculation domain and mesh generation

固液兩相間的曳力設(shè)置為Haider-Levenspiel模型，參考吳等[5]對細(xì)沙顆粒曳力系數(shù)的研究結(jié)果，該模型可以較為準(zhǔn)確的模擬與硼結(jié)晶類似的小顆粒沖蝕現(xiàn)象。參考許等[6]對沖蝕模型的介紹，采用沖蝕數(shù)值模擬工作較常用的Finner-Bitter模型，考慮硼酸結(jié)晶為宏觀粒子且僅考慮一次碰撞，初始化時控制釋放粒子的質(zhì)量、個數(shù)、球形度和釋放時間來實(shí)現(xiàn)對少量硼酸結(jié)晶沖蝕現(xiàn)象的模擬。釋放的單個硼結(jié)晶重量參考核電廠實(shí)際情況設(shè)置。某電廠大修時核島硼結(jié)晶的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[2]如表1所示，其中最大結(jié)晶重量為1 g，質(zhì)量為0.1～0.5 g的結(jié)晶數(shù)量占總結(jié)晶數(shù)的80%以上，本次模擬工作選取相對數(shù)量較多的0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g的硼酸結(jié)晶進(jìn)行。

數(shù)值模擬流程為先采用分離式求解器計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場，在獲得收斂結(jié)果后，采用全耦合求解器采用瞬態(tài)方式計(jì)算粒子在流場中的遷移過程和對管壁的沖蝕現(xiàn)象。由于計(jì)算模型的尺度有限，將管道壁面設(shè)置為凍結(jié)條件，即僅考慮硼結(jié)晶與管道的第一次碰撞。流場中水物性參考實(shí)際工況設(shè)置，壓力為將濃硼注入時一回路的壓力2.6 MPa，溫度采用略高于濃硼回路正常運(yùn)行溫度的50 ℃。上述參數(shù)下，水的密度為989.16 kg·m-3，粘度為547.49 μPa·s。硼結(jié)晶的密度取1430 kg·m-3，管道材料參考鋼的物性進(jìn)行設(shè)置，表面硬度為1.96 GPa，密度為7860 kg·m-3。

表1 硼結(jié)晶重量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of boron crystallization weight

2 仿真結(jié)果

圖2所示為1個1 g硼酸結(jié)晶和10個0.1 g硼酸結(jié)晶對管道沖蝕造成的局部質(zhì)量損失。其中，單個結(jié)晶質(zhì)量越大造成的局部最大質(zhì)量損失越大即產(chǎn)生的沖蝕強(qiáng)度越強(qiáng)，相同的結(jié)晶總質(zhì)量下，小質(zhì)量結(jié)晶的沖蝕影響區(qū)域越大。由于多個硼結(jié)晶可能重復(fù)沖蝕管道上同一位置，因此管道上局部沖蝕強(qiáng)度并不與單個硼結(jié)晶質(zhì)量成正比例關(guān)系。圖3詳細(xì)示出了不同的硼結(jié)晶總質(zhì)量下，單個硼結(jié)晶重為0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g時造成的管道局部最大質(zhì)量損失。硼結(jié)晶數(shù)量較少時，由于重復(fù)沖蝕有一定隨機(jī)性，局部沖蝕強(qiáng)度與單個硼結(jié)晶質(zhì)量的關(guān)系不明確。隨著硼結(jié)晶數(shù)量增加，局部沖蝕強(qiáng)度體現(xiàn)出隨著單個結(jié)晶質(zhì)量增加而增大的趨勢。圖4示出了圖3條件下硼結(jié)晶沖蝕造成的管道質(zhì)量損失。雖然單個硼結(jié)晶造成的局部沖蝕不同，管道質(zhì)量損失與硼結(jié)晶總質(zhì)量幾乎為正比關(guān)系。參考鋼的密度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)硼結(jié)晶總質(zhì)量達(dá)到25 g時，單次碰撞已經(jīng)可以在管壁上形成近1 cm長的類似頭發(fā)絲粗細(xì)的劃痕。在實(shí)際條件下，硼結(jié)晶在溶解前可以多次碰撞管壁，因此如果水流中含有的硼結(jié)晶過多，則很有可能在管道內(nèi)形成明顯的劃痕區(qū)域。

圖2 硼酸結(jié)晶沖蝕造成的質(zhì)量損失Fig.2 Mass loss caused by boron crystallization

圖3 不同單個硼結(jié)晶質(zhì)量下的局部最大質(zhì)量損失Fig.3 Local maximum erosion intensity under different mass of single boron crystal

圖4 不同硼結(jié)晶總質(zhì)量下的管壁質(zhì)量損失Fig.4 Mass loss of the pipe wall under total mass of different boron crystal

在實(shí)際條件下硼結(jié)晶不會是標(biāo)準(zhǔn)的球形，圖5和圖6示出了硼結(jié)晶總質(zhì)量為15 g時，不同球形度對0.2 g和0.5 g硼結(jié)晶沖蝕現(xiàn)象的影響。由于硼結(jié)晶球形度降低將導(dǎo)致其曳力系數(shù)增加[7]，在彎曲流場中硼結(jié)晶更容易隨流體轉(zhuǎn)向而使得沖蝕入射角，因此減輕了對壁面的沖擊，從而使局部沖蝕強(qiáng)度和管道質(zhì)量損失均明顯降低。圖5和圖6示出了硼結(jié)晶總質(zhì)量為15 g時，不同流量下0.2 g和0.5 g硼結(jié)晶對管壁的沖蝕效果。當(dāng)流量下降40%時，局部最大質(zhì)量損失和管道質(zhì)量損失分別下降約54%和約63%，降低流量可以顯著減輕沖蝕現(xiàn)象。對于本文參考的濃硼回路注入一回路指令，可先采用較低的流量來避免硼結(jié)晶對管道的沖蝕，待一段時間硼結(jié)晶被沖刷掉之后再提高流量以完成迅速完成規(guī)程。

圖5 不同硼結(jié)晶球形度下的局部最大質(zhì)量損失Fig.5 Local maximum mass loss under different boron crystal sphericity

圖6 不同硼結(jié)晶球形度下的管壁質(zhì)量損失Fig.6 Mass loss of the pipe wall under different boron crystal sphericity

圖7 不同系統(tǒng)流量下的局部最大質(zhì)量損失Fig.7 Local maximum mass loss under different system flow

圖8 不同系統(tǒng)流量下管壁質(zhì)量損失Fig.8 Mass loss of the pipe wall under different system flow

3 結(jié)論

本文依托大修期間將濃硼注入一回路的特殊指令，采用COMSOL軟件建立計(jì)算模型研究了硼結(jié)晶對管道的沖蝕過程，計(jì)算結(jié)果表明：

1)單個硼結(jié)晶的質(zhì)量越大造成的局部沖蝕強(qiáng)度越大；

2)由硼結(jié)晶沖蝕導(dǎo)致的管道質(zhì)量損失與單個硼結(jié)晶的質(zhì)量無關(guān)，且與硼結(jié)晶總質(zhì)量成正比關(guān)系;

3)硼結(jié)晶的局部沖蝕強(qiáng)度和管道質(zhì)量損失隨著硼結(jié)晶球形度或系統(tǒng)流量的降低而降低。