核电站二回路管道系统的FAC

三、FAC影响因素
在 圆 齿 形 表 面 形 貌 形 成 之 前 ， 微 型 缺 陷 必 须 达 到 一 个 临 界 尺 寸 才 能 长 大 。 缺 陷 尺 寸 用沿流体流动方向缺陷长度表征，用Xcrit表示。对于圆形孔洞， Xcrit由下面公式表 示：
Xcrit＝
式中，dH是流体直径（对4于 d常H 规 R管e (路7 / 8几) 何形状dH等于管体直径）。
➢ 管路形状的影响
三、FAC影响因素
管道尺寸和形状直接影响流体速度进而影响局部传质速率。如果一个构件的几何形状 能够加速流体流动和湍流程度，则这样的构件会受到更为严重的流动加速腐蚀。流动加 速腐蚀倾向与发生在存在流体动力学干扰的部位，主要是含有蒸汽和水的构件内部或临 接的下游。这些部位包括弯头、弯头、减压器、三通、管道入口、控制节流阀下游、阀 门等。
二、FAC机理
(2)金属表面生成的亚铁离子通过多孔的氧化膜层扩散到主体溶液当中。假设氧化膜层 中不存在网状环流和水流，亚铁离子的扩散是由于浓度梯度控制的。步骤（1）中 产生的H2也经过铁基体和氧化物孔洞扩散到主体溶液当中。上述的两个过程与均匀 腐蚀的这类过程一致。
(3)受溶液中的H＋的还原作用，磁铁矿膜在氧化膜/水界面处发生溶解，H＋来自金属/ 氧化物界面。
➢第一个过程是在氧化膜/水界面产生溶解的亚铁离子，该过程 可分为三个同时发生的反应：
(1)铁在铁/磁铁矿界面的游离氧水溶液中氧化，反应方程如下：
Fe＋2H2O =Fe2＋＋2OH-+H2 =Fe(OH)2+H2 3Fe＋4H2O =Fe3O4＋4H2 一般认为，有1/2的Fe2＋在基体铁/氧化物界面转变为磁铁矿。
• 1.2 FAC事件统计
➢ 据WANO统计，1999年至2007年之间，世界核电行业共发生37起FAC事 件。
一、FAC背景
• 1.3 FAC的危害
➢ 压力容器和管道的降级； ➢ 电站降功率或者停堆； ➢ 人员伤害； ➢ 经济损失。
二、FAC机理
•2 . 1 流 动 加 速 腐 蚀 的 概 念
三、FAC影响因素
•3.1 流体力学因素
➢ 流体速度的影响
流体动力学的影响很复杂，边界层的物质扩散受管壁附近流 体状况的强烈影响。流体速度是铁离子从氧化物到溶液主体 传质的一个主要控制因素。流动加速腐蚀速率随主体速度的 增加和局部湍流而增大，而且不存在能引起流动加速腐蚀的 流体速度的下限。
流体速度对腐蚀现象有两种作用：
属溶解速率和钝化速率决定。腐蚀动力学呈抛物线关系。
流动减薄膜均衡厚度由物质传递和化物的生成决定。冲刷腐蚀速率 由物质传递和浓度驱动决定。腐蚀动力学呈线性关系
由于表面切应力或溶解或粒子撞击造成膜的局部去除，但它能被再 钝化。破坏速率由裸金属的溶解速率、钝化速率和氧化物的频率去
除决定。破坏动力学呈准线性关系。 膜由于溶解或者表面切应力局部去除，破坏速率就是裸金属的溶解
一、FAC背景
•1.1 典型FAC事件-2
日本Mihama FAC 失效位置示意图
破裂位置
5人死亡，6人受伤！！
一、FAC背景
Mihama FAC 失效
28 年从未检测 开裂时最薄处壁厚 1.4 mm（原厚度
10 mm） FAC 速率 = 0.34 mm year-1
材料 ：碳钢 温度 : 140oC 流速 : 2.2m/s 氧含量 : <5ppb 水化学 : AVT (pH8.5-9.7)
一、FAC背景
•1.2 FAC事件统计
Plant Name Oconee 3
Browns Ferry 1 Oconee 2
Calvert Cliffs Handdam Neck
Surry 2 Trojan 2 Surry 2 Surry 1
Catawba Susquehanna 1
Zion 1 Turkey Point 3
流动加速腐蚀（Flow-accelerated corrosion，简称 FA C ） 就 是 碳 钢 或 低 合 金 钢 表 面 保 护 性 的 氧 化 膜 在 水 流 或 气 液 两相流作用下发生溶解、破坏的过程。由于氧化膜的不断减薄， 保护性能下降，腐蚀速率上升，最后达到一种平衡状态——腐 蚀速率和溶解速率趋于一致，并保持这个稳定的腐蚀速率持续 下去。金属表面局部区域的氧化膜非常薄，几乎相当于金属的 裸露表面。一般情况下，腐蚀表面呈现典型的磁铁矿黑色。
Millstone 2 Fort Calhoun
Mihama
Damage Leak in extraction line Rupture of discharge line MSR drain line Failure of expander in reheater drain line Rupture of elbow in cold reheat steam line Rupture of feedwater heater line Rupture of feedwater line elbow Leak in main feedwater line E/C wear of elbow in main feedwater line Rupture of low pressure heater drain line in
三、FAC影响因素
通 常 采 用 一 个 几 何 加 速 因 子 来 表 征 提 高 流 体 紊 乱 度 （ 湍 流 ） 对 FA C 的
影响。
管道类型
Kellz
Remy
Woolsey
Kastner
直管
1.0
1.0
90º弯头
5.75～13
3.7
减压器 （大头）
─ 当流体速度增大到一临界值——称为“剥离速度”以上时，表面的 剪切应力变得足够大到可以撕裂或剥离保护性的氧化膜，腐蚀过程 转变为磨蚀腐蚀过程。
三、FAC影响因素
➢ 管壁表面粗糙度的影响
研究表明，FAC腐蚀形貌的形成是基于原始缺陷产生的 大量的小蚀坑，逐步长大连接成片而形成的。表面粗 糙度越大表明原始小蚀坑越多。这些原始的小蚀坑与 碳钢表面的微观组织选择性腐蚀有关。在高雷诺系数 条件下，处于临界尺寸以上的初始缺陷数量很大，当 随着缺陷长大，彼此之间就开始相互接触，形成微小 的圆齿状形貌。
3.0～4.0
5.7
2.0～2.5
5.7
➢ 蒸汽质量的影响
三、FAC影响因素
通 常 情 况 下 ， 流 体 的 湍 流 越 剧 烈 ， 越 容 易 发 生 FA C ； 对 于 气 液 两 相 流 而 言 ， 其湍流强度与蒸汽质量百分比密切相关。
蒸 汽 质 量 对 FA C 速 率 的 影 响 非 常 大 。 只 有 在 管 道 或 构 件 壁 内 表 面 保 持 湿 的 状 态 时 ， 才 可 能 造 成 材 料 的 FA C 减 损 ， 干 燥 蒸 汽 条 件 下 不 发 生 FA C 。 如 果 蒸 汽 质 量 大 于 零 ， 那 么 只 有 液 相 能 造 成 FA C 破 坏 。
速率。破坏速率呈准线性关系。 膜局部去除和金属表面上机械破坏决定了总的破坏速率，如破坏速 率等于裸金属的溶解速率加上由于可能的机械破坏的协和作用。破
坏速率呈非线性关系。 氧化膜的去除和占支配地位的金属表面下械破坏。剥蚀动力学呈非
线性关系 机械破坏占支配地位
三、FAC影响因素
考 虑 到 电 化 学 极 化 的 作 用 的 影 响 ， 在 研 究 流 体 流 速 对 冲 刷 腐 蚀 速 率的控制作用时，要注意以下三点：
─ 在低速情况下，增加液体流速可以降低腐蚀产物（如可溶性腐蚀产 物亚铁离子）的浓度。由于腐蚀产物浓度降低，腐蚀速率增加，并 且离子从氧化物/水界面迁移到主体溶液中的能力变为速度控制过程， 浓差极化是其控制步骤，腐蚀速率部分或完全由传质速率控制。
─ 在较高流速情况下，传质速度明显高于金属表面电极反应速率，其 结果导致在金属/电解液界面该过程变成反应次序控制过程，需要活 化能激化。这种条件下活化作用控制整个腐蚀过程，腐蚀速率不再 依赖流体速度值。
核电站二回路管道系统的FAC
提纲
• 一、FAC背景 • 二、FAC机理 • 三、FAC影响因素 • 四、FAC分析 • 五、FAC有效管理
一、FAC背景
• 1.1 典型FAC事件-1
➢1986年12月9日，美国Surr y核电厂2号机组凝结水 管线上的一个18英寸弯头运行时突然破裂，造成4死 4伤的严重后果。最后190个部件被更换。Surry核 电厂的FAC事故唤起了世界核电对FAC的重视。
feedwater line E/C wear of feedwater line E/C wear of feedwater line Leak in moisture separator line Leak in moisture separator line Heater drain recirculation line
二、FAC机理
•2.1 流动加速腐蚀的概念
在单相液态流条件下，当腐蚀速率较高时，金属表面会出现 典型的马蹄铁形状的蚀坑，形成扇贝形状或桔子瓣形的腐蚀形貌。 扇贝形腐蚀形貌常出现在发生严重管壁减薄的大直径管道内表面。 在双相流条件下，大型管道表面的流动加速腐蚀形态是 “老虎 花纹”状形貌。
单相流：圆齿状、波状或桔皮状
─ 传质作用，比如由于浓差扩散引起的亚铁离子从扩散边界层向 溶液主体中迁移。
─ 表面剪切应力作用。
三、FAC影响因素
层流
紊流
紊流
紊流
氧化层
氧化层
金属
金属
金属
金属
紊流 金属
A
B
C D
E
腐蚀速率
流速或剪应力
←机械破坏增加 氧化物溶解增加→
三、FAC影响因素
氧化物溶解占支配地位 根据氧化物的动力学，氧化膜在静滞的水中生成。腐蚀速率由裸金
上 式 表 明 ， 缺 陷 长 度 与 流 体 直 径 成 正 比 ， 与 雷 诺 数 成 反 比 。 也 就 是 说 ， 湍 流 越 剧 烈 ， 管径越小，缺陷特征长度就会越小，达到临界缺陷尺寸的缺陷数量就会越多，越容 易发生FAC。
注：对于发电厂用商用装置和管材，通常会存在大于临界尺寸的缺陷，因此，在使用 过程中，通常会出现圆齿状形貌。
一、FAC背景
• 1.1 典型FAC事件-2
➢ 2004年8月9日，日本美滨核电厂3号机组低压加热器到除氧器之间的凝结水管道破裂，11名工人被严 重 烫 伤 ， 其 中 五 人 死 亡 。 事 后 检 查 发 现 ， 由 于 FA C 作 用 使 得 原 来 约 1 0 m m 厚 度 的 管 道 减 薄 后 最 薄 处 只 有1.4mm。
2.5
（小头）
1.8
1.0
1.0
1.0
2.1
1.7
6.0～11
3.2
管道入口
4.0
2.5
3.58～6.24
膨胀器 （大头）
3.0
（小头）
2.8
管道扩张处
管口
4.0～6.0
5.0
T型管 （流入管）
5.0
合流 （出水管）
3.74
5.0
T型管 （流入管）
5.0
分流 （出水管）
18.75
4.0
3.6
2.0
2.9
extraction steam line condensate line downstream of an orifice
Date 1976 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1990
1991 1992 1993 1994 1995 1997 2004
一、FAC背景
式中，b＝0，1，2，3。具体取值取决于亚铁离子的水解程度。
1 3
Fe3O4
(2
b)H
1 3
H2
Fe(OH)(b2b)
(4 3
b)H2O
二、FAC机理
➢第二个过程是亚铁离子通过扩散边界层向主体溶液迁移的过程，该过程受
扩散梯度驱使。来自氧化物/水界面溶解和金属基体/氧化物界面的亚铁离
子能够通过扩散边界层迅速地扩散到主题溶液中。另外通常假设主题溶液 中的亚铁离子Fe2＋浓度为C∞，氧化物/溶液界面的Fe2＋浓度为CS，且 C∞<<CS在这种条件下，如果氧化物/溶液界面的流体速度增加将导致腐 蚀速率上升。
两相流：老虎斑纹
二、FAC机理
2.2 FAC的作用机理
氧化膜的形成
DO 氧化膜的溶解
Fe Fe2
氧化膜中的扩散
Fe2
Fe3O4
Fe2
流体边界层中的扩散
step1
step2
step3
H+ Fe2+的扩散
二、FAC机理
• 2.2 FAC的作用机理
通常认为流动加速腐蚀是静止水中的均匀腐蚀的一种扩展，其 区别在于流动加速腐蚀的氧化膜/溶液界面存在流体运动。考虑到 金属表面多孔铁磁相膜的存在，流动加速腐蚀可以分解为两个耦 合过程。