压水堆核电厂硼结晶冲蚀现象数值分析

朱光昱，张祎王，林达平

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

硼酸结晶现象是二代改进型压水堆核电厂中的常见问题，美国的土耳其角(Turkey Point)核电厂曾在检修过程中发现压力容器顶盖上沉积了约227 kg的硼结晶，这些结晶对顶盖上的设备造成了明显的腐蚀[1]。国内某电厂也在换料大修阶段在阀门盘根、法兰和管道接头等设备发现了大量的硼酸结晶[2]。

目前，硼结晶造成的设备腐蚀和管路阻塞问题已经得到了足够的重视，由于硼结晶一般是含硼水温度降低或泄漏后水分蒸发形成的，因此核电厂涉硼系统通常规定了相应的运行温度和定期搅拌操作。然而除上述主要危害之外，管道设备内的硼结晶一旦脱落，在随主流运动的过程中会对下游管道产生冲蚀。与电厂中关注的微米级别固体颗粒冲蚀不同，硼结晶颗粒直径可达毫米级甚至厘米级，因此单个结晶即可对管道产生冲蚀损害，国内某电厂曾在管路中发现明显划痕并怀疑是由于硼酸结晶冲蚀导致的。管道或设备上的划痕会破坏防腐蚀保护层或影响密封结构性能，同时导致其他化学腐蚀过程更容易发生，从而降低管道设备的可靠性，因此需要对该现象进行研究。对此，本文基于COMSOL Multiphysics软件的CFD模块对硼结晶冲蚀现象进行了数值模拟分析，研究了单个硼结晶质量、硼结晶总质量、结晶球形度和系统流量对局部冲蚀强度和管道质量损失的影响。

1 仿真模型

对于二代改进型核电厂，浓硼回路的硼含量较高且在每个换料大修期间需要将其中的水注入到一回来中，因此更容易发生硼结晶冲蚀的现象。本文针对上述过程采用冲蚀研究中经典的90度弯管[3]建立计算模型，具体如图1所示，管道内径d为66.7 mm，弯头中心到端部距离为114 mm，直管长度为管道内径10倍使得流动充分发展。换料大修期间将浓硼水注入一回路的流量一般为50 m3·h-1，折算流速约为0.993 8 m·s-1，此时已经处于旺盛的湍流状态，需要选取适当的湍流模型。由于模型结构相对简单，各类湍流模型计算的流场分布仅存在微小差异，对此本文选取适用于强流线弯曲流场计算的Realizable k-ε模型[4]计算管内流场，以确保局部流场的准确性。网格建立过程采用Y Plus值50作为第一层网格的厚度，为了较少计算量建立了面对称模型，最终采用的网格数量为25 020。

图1 计算域和网格划分Fig.1 Calculation domain and mesh generation

固液两相间的曳力设置为Haider-Levenspiel模型，参考吴等[5]对细沙颗粒曳力系数的研究结果，该模型可以较为准确的模拟与硼结晶类似的小颗粒冲蚀现象。参考许等[6]对冲蚀模型的介绍，采用冲蚀数值模拟工作较常用的Finner-Bitter模型，考虑硼酸结晶为宏观粒子且仅考虑一次碰撞，初始化时控制释放粒子的质量、个数、球形度和释放时间来实现对少量硼酸结晶冲蚀现象的模拟。释放的单个硼结晶重量参考核电厂实际情况设置。某电厂大修时核岛硼结晶的统计结果[2]如表1所示，其中最大结晶重量为1 g，质量为0.1～0.5 g的结晶数量占总结晶数的80%以上，本次模拟工作选取相对数量较多的0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g的硼酸结晶进行。

数值模拟流程为先采用分离式求解器计算稳态流场，在获得收敛结果后，采用全耦合求解器采用瞬态方式计算粒子在流场中的迁移过程和对管壁的冲蚀现象。由于计算模型的尺度有限，将管道壁面设置为冻结条件，即仅考虑硼结晶与管道的第一次碰撞。流场中水物性参考实际工况设置，压力为将浓硼注入时一回路的压力2.6 MPa，温度采用略高于浓硼回路正常运行温度的50 ℃。上述参数下，水的密度为989.16 kg·m-3，粘度为547.49 μPa·s。硼结晶的密度取1430 kg·m-3，管道材料参考钢的物性进行设置，表面硬度为1.96 GPa，密度为7860 kg·m-3。

表1 硼结晶重量统计Table 1 Statistics of boron crystallization weight

2 仿真结果

图2所示为1个1 g硼酸结晶和10个0.1 g硼酸结晶对管道冲蚀造成的局部质量损失。其中，单个结晶质量越大造成的局部最大质量损失越大即产生的冲蚀强度越强，相同的结晶总质量下，小质量结晶的冲蚀影响区域越大。由于多个硼结晶可能重复冲蚀管道上同一位置，因此管道上局部冲蚀强度并不与单个硼结晶质量成正比例关系。图3详细示出了不同的硼结晶总质量下，单个硼结晶重为0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g时造成的管道局部最大质量损失。硼结晶数量较少时，由于重复冲蚀有一定随机性，局部冲蚀强度与单个硼结晶质量的关系不明确。随着硼结晶数量增加，局部冲蚀强度体现出随着单个结晶质量增加而增大的趋势。图4示出了图3条件下硼结晶冲蚀造成的管道质量损失。虽然单个硼结晶造成的局部冲蚀不同，管道质量损失与硼结晶总质量几乎为正比关系。参考钢的密度进行计算，当硼结晶总质量达到25 g时，单次碰撞已经可以在管壁上形成近1 cm长的类似头发丝粗细的划痕。在实际条件下，硼结晶在溶解前可以多次碰撞管壁，因此如果水流中含有的硼结晶过多，则很有可能在管道内形成明显的划痕区域。

图2 硼酸结晶冲蚀造成的质量损失Fig.2 Mass loss caused by boron crystallization

图3 不同单个硼结晶质量下的局部最大质量损失Fig.3 Local maximum erosion intensity under different mass of single boron crystal

图4 不同硼结晶总质量下的管壁质量损失Fig.4 Mass loss of the pipe wall under total mass of different boron crystal

在实际条件下硼结晶不会是标准的球形，图5和图6示出了硼结晶总质量为15 g时，不同球形度对0.2 g和0.5 g硼结晶冲蚀现象的影响。由于硼结晶球形度降低将导致其曳力系数增加[7]，在弯曲流场中硼结晶更容易随流体转向而使得冲蚀入射角，因此减轻了对壁面的冲击，从而使局部冲蚀强度和管道质量损失均明显降低。图5和图6示出了硼结晶总质量为15 g时，不同流量下0.2 g和0.5 g硼结晶对管壁的冲蚀效果。当流量下降40%时，局部最大质量损失和管道质量损失分别下降约54%和约63%，降低流量可以显著减轻冲蚀现象。对于本文参考的浓硼回路注入一回路指令，可先采用较低的流量来避免硼结晶对管道的冲蚀，待一段时间硼结晶被冲刷掉之后再提高流量以完成迅速完成规程。

图5 不同硼结晶球形度下的局部最大质量损失Fig.5 Local maximum mass loss under different boron crystal sphericity

图6 不同硼结晶球形度下的管壁质量损失Fig.6 Mass loss of the pipe wall under different boron crystal sphericity

图7 不同系统流量下的局部最大质量损失Fig.7 Local maximum mass loss under different system flow

图8 不同系统流量下管壁质量损失Fig.8 Mass loss of the pipe wall under different system flow

3 结论

本文依托大修期间将浓硼注入一回路的特殊指令，采用COMSOL软件建立计算模型研究了硼结晶对管道的冲蚀过程，计算结果表明：

1)单个硼结晶的质量越大造成的局部冲蚀强度越大；

2)由硼结晶冲蚀导致的管道质量损失与单个硼结晶的质量无关，且与硼结晶总质量成正比关系;

3)硼结晶的局部冲蚀强度和管道质量损失随着硼结晶球形度或系统流量的降低而降低。