核电厂汽水分离再热器流动加速腐蚀原因分析及控制措施

边春华，卢 祺，刘洪群，查晓龙

(1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300;2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

1 概述

1.1 汽水分离再热器简介

汽水分离再热器(MSR)作为核电厂二回路主要设备，被水平放置于运转层上，在低压缸两侧各设置一台。汽水分离再热器(MSR)的功能如下：

1)对汽轮机高压缸排汽进行分离去湿，除去约98%的水分；

2)在蒸汽进入低压缸之前提高它的温度。

从高压缸排出需要去湿和再热的湿蒸汽通过左、右各两根与两台MSR筒体下部管接头直接相连的冷再热蒸汽管进入汽水分离再热器。蒸汽进入MSR壳体后分别流入两根进汽分配管。这些被割有槽口的流量分配管引导蒸汽以均匀的速度分布流入汽水分离再热器的流量分配板和分离器波纹板元件。在分离约98%的水分后，蒸汽流再经过一级再热器和二级再热器加热变成过热蒸汽。过热蒸汽向上流动，从蒸汽出口管排出。第一级再热器的加热蒸汽是由高压缸的第一级抽汽供给的，第二级再热器的加热蒸汽为取自主蒸汽母管的新蒸汽。分离器和两极再热器的疏水排入各自的疏水箱中。

MSR壳体为用SA-516-70碳钢板制作的全焊接结构，内部防冲板、保护罩及流量分配孔板为SS 304材质，分离板为SS 430材质。再热器设置在MSR壳体内，由水平布置的传热管束、管板和蒸汽室等组成。再热器管束、管板的材料分别为SA-268-TP439和SA-350-LF2。MSR半球形封头和支撑板分别由SA-516-70、SA-285-C材料制成。

每台MSR的正常运行参数如表1所示[1]。

表1 汽水分离再热器最大连续出力工况下的运行参数

1.2 现象概述

国内某核电厂在多次大修的MSR内部腐蚀检查中均发现内部部分部件，如进汽腔室、流量分配管及其上部腔室、分离器腔室及再热器水室等表面存在流动加速腐蚀(Flow Accelerated Corrosion,FAC)形貌，如图1所示。这些FAC形貌多呈现为虎斑状，部分腐蚀部位就近观察可看到腐蚀处表面密布马蹄形浅坑，浅坑直径约为3～5 mm。

图1 汽水分离再热器内部FAC形貌

2 FAC原因分析

2.1 基本概念

FAC是指在快速流动的水或湿蒸汽的湍流运动作用下，碳钢或低合金钢表面保护性的氧化膜(通常为磁性氧化铁)不断溶入水中或汽水混合流体中，使底层金属基体不断发生腐蚀，最终导致管壁不断减薄的现象。当氧化膜溶解和金属基体腐蚀相当时，腐蚀的速率达到稳定，并且这一稳态过程会随着电厂的运行而持续下去。

需要注意的是，FAC是通过溶解过程起作用的，而不是一种机械破坏氧化层的作用，这与典型的冲蚀腐蚀机理是有区别的。

2.2 形貌特征

FAC会在金属表面形成比较明显的特殊形态。一般情况下，在单相流体作用下，当腐蚀速率较大时，金属管道或部件表面会出现马蹄坑特征的腐蚀形态，整体上看为贝壳状或橘皮状的腐蚀形貌。这种贝壳状腐蚀形貌通常出现在发生管壁严重减薄的大直径管道内表面。在两相流体条件下，管道及工件表面FAC造成的腐蚀形貌呈虎斑状[2]。

2.3 反应机理

FAC发生的机理，可由图2来说明。管道或工件表面覆盖了一层Fe3O4氧化膜，在远离这层氧化膜区域的主流区的流体流速较快，而靠近氧化膜的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，边界层中已经溶解的铁离子就会不断向主流区中迁移，继而边界层中溶解的铁离子也将处于不饱和状态，这样氧化膜中的铁就会溶解到未饱和的边界层中，从而使Fe3O4氧化膜以一定速率溶解。另外，氧化膜孔隙内充填有水，金属基体腐蚀产生的铁离子通过这个通道可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，从而导致钢铁表面不断腐蚀[3]。

图2 FAC机理示意图

2.4 FAC影响因素

2.4.1 材料

材料成分对FAC的影响主要是通过影响基体表面生成的氧化膜的稳定性和溶解度来实现的。一般认为，最有益的元素是Cr，Mo和Cu也有助于减小FAC的速率。相关研究显示，当Cr含量仅仅为0.1%的时候就能有效抑制单相流体中FAC的发生，但是要真正意义上抑制FAC的发生，材料中的Cr含量应当大于1%[4]。另有研究证明，抑制FAC发生的Cr含量的临界值为0.04%，随着运行时间的增加，Cr含量对FAC的影响会变得更加明显[5]。

合金元素降低FAC的速率主要是生成了比Fe3O4可溶性更小的氧化物(如FeCr2O4)，同时氧化物中的孔隙也减少了。化学成分的改变一般通过三种方式提高其抗FAC性能：一是提高材料的热力学稳定性，二是促进材料表面形成耐蚀的钝化膜，三是影响材料的组织结构，从而提高材料的强度、硬度或改善其冲击韧性、耐磨性。此外，在材料化学成分一定的条件下，调整热处理温度获取不同的组织结构，如基体硬化相等可显著影响材料耐冲刷腐蚀性能。

2.4.2 水化学

水化学同样是通过影响氧化膜的稳定性和溶解度进而影响FAC速率的。由于H+参与FAC氧化还原反应和运输过程，这决定了pH值对FAC有显著影响。通常pH升高可降低腐蚀速率。日本美滨(Mihama)核电站事故的相关研究报告指出，当pH值控制在8～9时，FAC速率随着pH值的增加而逐渐减小；当pH值控制在9.5以上时，FAC速率随着pH值的增加而急剧减小[6]。由此可看出，pH值是核电站建成后能通过合理的化学控制来达到有效抑制二回路材料FAC不多的几个重要参数之一。

水中杂质如果可以穿过边界层并且能与钢或腐蚀产物(铁离子和Fe3O4)反应的话，杂质就能影响FAC。这些杂质包括：氧、金属离子、氢、其他杂质。氧可使Fe3O4向Fe2O3转变，并且由于Fe2O3的溶解度比Fe3O4小几个数量级，所以会降低FAC的速率。法玛通德国技术研究中心的研究人员在研究FAC时发现：当流体中的溶解氧质量分数低于1×10-10时，腐蚀严重；当溶解氧质量分数在1×10-10～4×10-10时腐蚀速率急剧下降；当溶解氧质量分数达到8×10-10时，腐蚀速率可以忽略不计[7]。图3展示了溶解氧对FAC速率的影响。金属杂质对FAC的影响较小，但是铜离子、镍离子、钼离子等能影响到FAC的速率，即使在给水中的浓度至1 ppb。以铜离子为例，铜离子主要来自铜合金部件的腐蚀，由于电极的吸引作用，它会进入到氧化物的孔中，堵塞孔隙，这使得FAC中腐蚀产物的扩散通道减少，FAC的速率也就随之减小。联氨作为还原剂维持给水中的还原环境，还可作为除氧剂、pH调节剂。联氨在下面两种情况下会加速FAC：联氨同氧反应使得氧含量降低；大于150 ℃时，联氨分解产生的氢能使Fe3O4的溶解加快。FAC速率随联氨含量的变化曲线呈铃状，在150 ppb处达到顶峰。

图3 溶解氧质量分数对FAC速率的影响

2.4.3 温度

根据研究人员的实验数据可知，FAC发生的温度约在90～230 ℃之间，而温度在150～175 ℃之间时材料发生FAC的程度最明显[8]。单相FAC，如图4(a)所示，主要出现在介质温度为100～160 ℃的碳钢材料管道中，且在130～150 ℃时最强；温度低于50 ℃或高于250 ℃时单相FAC不会发生。对于两相FAC，如图4(b)所示，发生在温度为150～220 ℃之间的碳钢管道中，其最高速率在170～200 ℃之间，并且在280 ℃时也有FAC发生。从整体上来看，FAC与温度变化的关系可用圆顶形曲线表示[9]。

图4 FAC与温度变化的关系

2.4.4 流体力学

对于FAC，流体力学因素主要通过影响腐蚀产物向主流区域的传质速率来起作用。流体力学因素包括流体流速及流型、管道表面粗糙度、管路几何形状、流体含汽率等。

1)流速及流型的影响。当流速较低时，流体处于层流状态，管道中间流体流速与管壁附近的流体流速相差很大，在接近管壁的边界层流体流速几乎为零。由于边界层比较厚，腐蚀产物在边界层中的扩散阻力比较大，因此管道表面的腐蚀速率比较低。当流速较高时，流体趋向于湍流状态，管道中间流体流速与管壁附近的流体流速相差不大，在接近管壁边界层的流体流速也相应较高，边界层厚度减薄，腐蚀产物在边界层中的传质阻力减小，继而管道表面的腐蚀速率就增大了。

2)管道表面粗糙度的影响。管道表面粗糙度会对近壁处流体流速有较大影响，导致流体对管壁腐蚀产生较大影响。相关研究实验表明，光滑表面下，流动条件变化并不会很明显影响FAC速率；但对于粗糙表面的湍流，由于剪切应力可以足够大到撕裂或剥离部分保护性氧化膜，FAC速率也相应要高得多。在相同流速的流体中，管壁粗糙度越大，对管壁材料FAC的影响就越大。

3)管路几何形状的影响。回路中弯头、变径管、三通、阀门、孔板、设备管口及其下游管道相对于直管段更容易发生严重FAC，因为在这些部位由于流体流速变大、湍流加剧，流体对管道内壁氧化膜的剥离作用也增大[10]。

4)流体含汽率的影响。当流体含汽率低时，流速增加和流型变化会导致边界层变薄和不稳定，腐蚀产物的传质阻力会相应减小，FAC腐蚀速率将增大。当含汽率较高时，由于管道中介质主要是蒸汽，电化学腐蚀几乎将停止进行，FAC速率则会变得很小。

2.5 MSR运行工况分析

汽水分离再热器内部发生FAC的部位为进汽腔室内壁、分离器底板、流量分配管及其上部腔室、再热器水室内壁。这些部位由SA-516-70、SA-285-C材料制成。由于这两个牌号的碳钢不含Cr元素，因此在外界条件满足时，以上部位必然成为FAC腐蚀敏感区。

再者，MSR进汽为汽轮机高压缸的排汽，湿度为12.64%；MSR内部结构复杂，易产生湍流，碳钢部位表面的保护性氧化膜遭到破坏；并且设备内部正常运行温度处于180～280 ℃，涵盖了FAC发生的温度区间，因此MSR内部碳钢部件及管道不可避免地发生了FAC。此外，二回路中为了降低蒸汽发生器给水溶解氧至合格值而加入了浓度为1%的联氨溶液，这也在一定程度上增大了FAC速率。

3 减小FAC影响的控制措施

对于新建机组或更换汽水分离再热器时，可从以下几个方面进行FAC预防：

1)采用控Cr材料作为汽水分离再热器壳体的主要材料，Cr含量≥1%。

2)优化汽水分离再热器的结构，尽量避免或减小湍流情况的存在。

3)降低设备内壁的粗糙度。

4)在变径管、三通、阀门、孔板、设备管口及其下游管道等部位表面堆焊一层高Cr含量的涂层或者更换成不锈钢等更高级材料。

对于在役的汽水分离再热器来说，提高其部件材料的铬含量和改变其几何构造已不可行，并且提高二回路介质的氧含量将不满足蒸汽发生器的给水水质要求，因此可考虑从以下两方面着手减小FAC的影响：

1)在汽水分离器的水侧增加加药装置，以提高水侧的pH值，降低FAC速率。

2)减少进汽中的水含量。可在汽水分离再热器上游安装一个前置汽水分离器，以减少进汽中的水含量。

3)定期跟踪，提前预防。针对汽水分离再热器FAC问题制定专门的监测及检修计划，对FAC敏感部位定期进行厚度检测，测点的选择和分布务必满足FAC管理的需要；一旦发现部件或管道厚度即将不满足运行要求，应及时进行维修或更换；同时可利用FAC专业预测软件开展敏感部位管道剩余寿命的评价与管理，通过分析获得壁厚减薄的趋势，并动态调整和优化所制定的监测及检修计划。

4 结束语

汽水分离再热器作为核电厂二回路的主要设备，其运行状况直接影响核电机组的安全稳定运行，因此设备的FAC问题应当予以重视。设计时要从设备材料和结构方面采取相应措施，从根本上避免或降低FAC带来的影响；运行时要从水化学、运行条件优化以及监检测等方面积极采取相应管理和技术措施，避免因FAC导致安全质量事件的发生。