核电厂二回路冷却系统的冲蚀管理

2018-08-06

腐蚀与防护 2018年7期

(苏州热工研究院有限公司,苏州 251004)

冲蚀是指由于含有第二相的流体对材料表面的机械冲击所引起的腐蚀[1]。冲蚀主要有四种破坏机制：气蚀、闪蒸、液滴冲击侵蚀和固体颗粒侵蚀。除固体颗粒侵蚀外，其他三种冲蚀机制均与高速液滴或者液流冲击金属基材表面有关。固体颗粒侵蚀的发生需要液流存在硬质颗粒，由于核电厂二回路介质中不含硬质颗粒，故本文不予分析。

冲蚀的危害在于其不仅引起设备内部发生减薄和泄漏，还将导致设备以及下游管线发生位移、水质劣化等各种问题[2]。近年来，国内外二回路管壁冲蚀事件不断增多，2016年5月，在法国EDF(法国电力集团)举办的流动加速腐蚀(FAC)2016年国际会议上，INPO提出，自2006年至今，美国核电站二回路发生的泄漏事件中，50%是由冲蚀引起的。因此，开展核电站二回路设备的冲蚀分析与管理是非常有意义的。本工作在冲蚀破坏机理的基础上，提出敏感设备的筛选方法以及可行的监检测手段和维修措施。

1 冲蚀机理

1.1 气蚀

当设备或管道中的水流经历压力下降—压力恢复的过程，就可能发生气蚀现象。例如，在阀门内部，当流体加速通过某一狭窄区域时，即会产生一个明显的压降过程(阀门上游和阀门下游存在压力差异)。根据伯努利定理，当流体通过受限制区域时，流体的流速增大，压力减小。如果局部压力低于液体温度下的蒸汽压力，则会形成小气泡。当下游压力高于饱和蒸汽压，这些气泡会发生崩溃。气泡的崩溃会产生很高的局部压力和非常高的局部水射流速。如果崩溃的气泡接近固体表面，将导致固体表面发生损坏。

气蚀通常发生在冷却水系统中,其主要特征为：入口为液流，出口为液流，无相变，一般为常压。以M310机组为例，可能发生气蚀的系统包括辅助给水系统和凝结水抽取系统等。通常发生气蚀的设备包括但不限于：球阀和控制阀以及下游管道；限流器、节流孔板、疏水器等下游管道；包含垫环或沉孔的部件或管道；运行过程中产生振动或噪声的管道。

1.2 闪蒸

当高压液流通过阀门或者孔板等区域时会发生剧烈的压降现象，容易产生闪蒸现象。需要注意，发生气蚀现象时，下游压力通常高于该区域的蒸汽压力，使气泡崩溃。在闪蒸的情况下，压力低于该区域的蒸汽压力，使气泡不崩溃，并被输送到下游。

由于水压低于蒸汽压，一些液体将转变为蒸汽，产生了比液体平均密度低得多的两相混合物。这将使下游流体的流速大大增加。高速液体冲击将对管道及部件产生闪蒸损伤。

闪蒸一般不发生在冷却水系统中,其主要特点是：入口为液流，出口为汽水混合物(主要为液流，少量蒸汽)，有相变。汽水混合物一般为高温高压，温度超过100 ℃。以M310机组为例，可能发生闪蒸的系统包括低压给水加热系统、给水除氧器系统、给水流量控制系统等。通常发生闪蒸的设备包括但不限于：通入冷凝器的液体管道下游的法兰或孔板；串联排水管下游的控制阀；承压管道与冷凝器之间的泄漏阀下游和降压阀的内部或下游。

1.3 液滴冲击侵蚀

液滴冲击侵蚀(LDE)是由高速的液体或液滴喷流造成的。通常情况下，当一个两相流经历一个高压降(例如，在一个直线上的一个孔板到冷凝器)时，会发生LDE。当LDE发生时，两相中的液体流速会升至某个点，此时液体冲击金属表面，即会导致金属表面产生破坏。闪蒸和LDE两者的差别在于，发生闪蒸的两相流是以流体为主的，伴随少量蒸汽；而发生LDE的两相流是以蒸汽为主的，伴随少量流体[3]。通常发生LDE的设备包括但不限于：高压蒸汽管线；汽轮机叶片等。

2 冲蚀敏感设备的筛选

2.1 气蚀

采用公式(1)计算阀门的最大允许节流压差△Pallow。上下游的压差超过△Pallow的80%的阀门为气蚀敏感阀门。

(1)

式中：Pl为阀门入口压力；PV为工作温度的蒸汽压；FL为阀门压力恢复系数，无量纲(一般由制造商提供)；FF为阀门临界压力比。

常压管道的三通、弯管等管径变化部位，同样是发生气蚀的敏感区域。管内水的静态压力越接近水的饱和蒸汽压时，发生气蚀的可能性越大。静态压力低于饱和蒸汽压的80%时，管道内几乎不发生气蚀。

2.2 闪蒸

通过计算阀门出口压力是否高于液流的饱和蒸汽压可以判断阀门是否存在闪蒸风险。如果出口压力低于液流的饱和蒸汽压，该阀门肯定发生闪蒸现象。在确定发生闪蒸的情况下，计算下游两相流的流速，计算方法如公式(2)～(4)所示。

(2)

V=Vf+xVfg

(3)

(4)

式中：v为双向流的流速；W为质量流速；A为下游横截面面积；V为混合物的体积；Vf为液相体积；Vfg为蒸发的体积增量；x为蒸汽质量分数；hd为下游焓；hf为液体焓；hfg为蒸发的焓增量。

如果阀门下游两相流的流速v超过61 m/s，则该阀门为闪蒸敏感设备。

2.3 液滴冲击侵蚀

通过判断两相流的流速是否超过材料的临界流速，可以判断发生液滴冲击侵蚀的可能性。如果两相流的流速超过材料的临界流速，发生液滴冲击侵蚀的可能性非常大。

两相流的计算方法如公式(2)、(3)和(5)所示。

(5)

式中：Ws为蒸汽流量；Ww为水流量。

如果设备材质为不锈钢材质，两相流的流速超过110 m/s，该设备为LDE敏感设备；如果设备的材质为低合金钢或碳钢材质，两相流的流速超过100 m/s，该设备为LDE敏感设备。如果设备的材质为铝或者铝合金，两相流的流速超过80 m/s，该设备为LDE敏感设备。

3 冲蚀的监检测方法

冲蚀的监检测方法主要有无损检测、声发射噪声监测、超声波流速监测和破坏性检查等方法。无损检测主要有目视检测(VT)、超声检测(UT)、射线检测(RT)等技术。

3.1 目视检查

对于阀门、限流孔等可拆卸设备，可安排人员在大小修等离线期间进行目视检查，观察其流向型的腐蚀形貌；目视检查如发现存在减薄或异常的不可达管道，应进行超声检查方法；对于新更换的部件和已更换下来的部件均需进行目视检查，特别是新更换部件，应记录初始的检查数据、部件表面状况、粗糙度和局部减薄情况，为以后该部件的跟踪检查提供正确数据。

3.2 超声检测

对于阀门等设备的内壁冲蚀缺陷，通过超声波扫描，进行局部探伤；若检测三通、弯头等管道的内部冲蚀缺陷，应进行整体厚度检测。检测重点为压降设备下游至2倍管径之间的区域，可酌情适当增大检测范围。例如DN100的气蚀敏感阀门，其敏感管道为阀门至下游200 mm区域。对于弯管、三通等管道，检测重点为弯头上游至下游4倍管径之间的区域，可酌情适当增大检测范围。