賴(lài) 平,張樂(lè)福,潘向烽,宋利君,李新民

(1.上海交通大學(xué)核能科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

在線測(cè)試碳鋼流動(dòng)加速腐蝕減薄速率的直流電壓法

賴(lài) 平1,張樂(lè)福1,潘向烽1,宋利君2,李新民2

(1.上海交通大學(xué)核能科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州215004)

研究了在線測(cè)試試樣管壁減薄速率的方法,并在前期試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。在模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況條件下,對(duì)兩種碳鋼進(jìn)行了流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明:在線測(cè)試碳鋼流動(dòng)加速腐蝕速率的改進(jìn)方法合理可行,可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試材料的流動(dòng)加速腐蝕速率,實(shí)現(xiàn)不更換試樣的連續(xù)試驗(yàn),減輕試驗(yàn)受環(huán)境變化的影響;溫度波動(dòng)對(duì)在線測(cè)試有較大的影響,引入無(wú)量綱電壓可減輕其影響。

直流電壓法;在線測(cè)試;碳鋼;流動(dòng)加速腐蝕減薄速率

流動(dòng)加速腐蝕(Flow Accelerated Corrosion, FAC)[1-5],是指液相(單相液流或氣液兩相流)存在時(shí),碳鋼或低合金鋼表面的保護(hù)性氧化膜溶解,造成壁厚持續(xù)減薄的現(xiàn)象,液相流動(dòng)對(duì)此有促進(jìn)作用。流動(dòng)加速腐蝕是金屬損耗的一種,主要包括金屬氧化的電化學(xué)過(guò)程和金屬離子遷移、可溶性含鐵組分溶解的物理過(guò)程。

流動(dòng)加速腐蝕是一種普遍現(xiàn)象,在電力、石油、化工等具有冷凝水管路的行業(yè)中普遍存在[5],壓水堆核電站管道中發(fā)生的流動(dòng)加速腐蝕最受到關(guān)注。日本美濱核電站3號(hào)機(jī)組由于流動(dòng)加速腐蝕造成了嚴(yán)重的人員傷亡[3-4]。國(guó)內(nèi)某核電廠在每次大修時(shí),均能從汽水分離再熱器箱底及疏水箱中清掃出一些銹蝕產(chǎn)物,經(jīng)檢驗(yàn)分析得知其為磁性氧化鐵;在凝汽器底部也會(huì)清理出類(lèi)似的銹蝕產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)腐蝕形態(tài)觀察、腐蝕產(chǎn)物成分分析、金相分析,并結(jié)合腐蝕部位的熱力情況分析,確認(rèn)引起上述問(wèn)題的主要原因是流動(dòng)加速腐蝕[6]。通常情況下,流動(dòng)加速腐蝕發(fā)生在90～230℃;但是近年來(lái),在部分大容量高參數(shù)的超(超)臨界機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)及疏水系統(tǒng)在較低溫度下也會(huì)發(fā)生流動(dòng)加速腐蝕[7],例如張賢等[8]證實(shí)在50℃的凝結(jié)水中會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)加速腐蝕導(dǎo)致的破壞。

日本美濱核電站3號(hào)機(jī)組發(fā)生了嚴(yán)重的流動(dòng)加速腐蝕,由于其壁厚減薄未被及時(shí)檢測(cè)出來(lái),沒(méi)有采取相應(yīng)措施,當(dāng)管道壁厚減薄到一定程度后管道便會(huì)突然破裂,造成設(shè)備損傷和人員傷亡。因此測(cè)定流動(dòng)加速腐蝕速率,預(yù)測(cè)材料的壁厚情況,及時(shí)采取相應(yīng)的措施來(lái)預(yù)防或應(yīng)對(duì)流動(dòng)加速腐蝕,對(duì)于核電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。

傳統(tǒng)方法較普遍地采用掛片方法來(lái)測(cè)試流動(dòng)加速腐蝕速率,測(cè)定結(jié)果分散不具有連續(xù)性,同時(shí)對(duì)試樣的處理過(guò)程中會(huì)引入很大的誤差(如試樣的氧化、稱(chēng)量等)。針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足,為滿(mǎn)足流動(dòng)加速腐蝕速率在線連續(xù)測(cè)試的需求,筆者采用直流電壓法[9-11]在線連續(xù)測(cè)試材料的流動(dòng)加速腐蝕速率,并和稱(chēng)重法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,在前期試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[12]。

1 試驗(yàn)原理

當(dāng)通過(guò)試樣的直流電流恒定時(shí),試樣兩端的電壓隨厚度變化[13-14](即為直流電壓法)?？筛鶕?jù)測(cè)量得到的電壓信號(hào),來(lái)反映試樣厚度的變化,實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試。該試驗(yàn)采用規(guī)則的管狀試樣,在試樣兩端加載恒定的電流,測(cè)量試樣標(biāo)準(zhǔn)段上的電壓U,通過(guò)電壓和試樣厚度的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,得出試樣的壁厚減薄量[12]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的推導(dǎo)過(guò)程,壁厚減薄量和電壓的關(guān)系式為:

式中:Δx為壁厚減薄量,mm;d0為試樣外徑,mm;K為常數(shù),與加載電流、試樣形狀有關(guān),由初始測(cè)量電壓得到;U為測(cè)量得到的電壓,n V;di為試樣初始內(nèi)徑,mm。

在實(shí)際試驗(yàn)情況下,流體環(huán)境處于波動(dòng)狀態(tài),如溫度在平衡點(diǎn)附近波動(dòng),而環(huán)境溫度變化對(duì)電勢(shì)的影響很大,如圖1所示。因此引入無(wú)量綱電壓,計(jì)算時(shí)只需將式(1)中的電壓改為無(wú)量綱電壓即可。

圖1 環(huán)境溫度變化對(duì)電勢(shì)的影響Fig.1 Effect of ambient temperature change on the potential

要直接采用式(1)計(jì)算,需要滿(mǎn)足比較嚴(yán)格的條件:參比電極需要和試樣處于相同的流體環(huán)境,與此同時(shí)自身不受腐蝕。由于難以滿(mǎn)足理想的參比電極條件,因此引入了改進(jìn)型參比電極,相應(yīng)的計(jì)算公式也有如下變動(dòng)。

當(dāng)通入電流恒定時(shí),測(cè)量得到的電壓U由兩個(gè)因子決定,即與試樣形狀尺寸有關(guān)的函數(shù)f(x)和與電導(dǎo)率有關(guān)的函數(shù)g(ρ),其中電導(dǎo)率ρ受環(huán)境因素(溫度、流體、材料等)影響。用公式表達(dá)即為:

在初始厚度已知的條件下,有:

式中:x0為初始厚度;Δx為厚度減少量。

根據(jù)此關(guān)系,采用了相同材料不同尺寸的試樣串聯(lián)起來(lái),保證其所處環(huán)境盡可能一致,則有:

式中:x1,x2分別為不同的初始厚度。

將式(4)和式(5)相除可得:

式中:h(x)是只與試樣形狀尺寸有關(guān)的函數(shù)。

由這一函數(shù)關(guān)系可知,可通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)得出試樣厚度的變化量。通過(guò)對(duì)測(cè)量得到電壓的無(wú)量綱化,理論上消除了環(huán)境因素帶來(lái)的電阻率的波動(dòng),就可以去掉式(1)推導(dǎo)過(guò)程中的假設(shè):試樣所處的流體環(huán)境保持穩(wěn)定,即材料的電阻率ρ為常數(shù)。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用回路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細(xì)信息可查閱文獻(xiàn)[12]。所使用的管狀試樣如圖2所示,該試樣保證參比電極和標(biāo)準(zhǔn)段處于相同的流體環(huán)境。在管狀試樣的兩端加載恒定電流,在左端的大外徑段(粗段),選擇兩個(gè)電勢(shì)測(cè)點(diǎn)作為參比信號(hào),在中間的小外徑段(細(xì)段),選擇另外兩個(gè)電勢(shì)測(cè)點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)段的電壓信號(hào),各電極的焊接位置如圖3所示。管狀試樣加載電流后的電勢(shì)分布如圖2所示,粗箭頭所示為加載恒定電流位置,選擇電勢(shì)測(cè)點(diǎn)的原則為:為提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,盡量使測(cè)量的結(jié)果為較大的數(shù)值,以減小計(jì)算公式所帶來(lái)的誤差;電流分布應(yīng)盡量均勻,以滿(mǎn)足公式推導(dǎo)假設(shè)。

根據(jù)上文所選用的試樣,對(duì)該測(cè)量方法所用計(jì)算公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn):使用同一試樣,測(cè)量其在已知不同厚度下的電壓,根據(jù)計(jì)算公式,由測(cè)量得到的電壓計(jì)算試樣的厚度。加工厚度和試驗(yàn)計(jì)算厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示,其中計(jì)算值表示根據(jù)公式換算得到的結(jié)果,參考值表示測(cè)量結(jié)果(即標(biāo)準(zhǔn)線),修正值表示在計(jì)算值的基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)1.05后的結(jié)果。

圖2 管狀試樣電勢(shì)分布圖Fig.2 Potential distribution of the tube specimen

圖3 管狀試樣設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design diagram of the tube specimen

圖4 試樣厚度結(jié)果對(duì)比Fig.4 Result comparison of specimen thickness

從圖4中的曲線可以看到,試樣厚度的計(jì)算值和測(cè)量值相比,結(jié)果接近但略偏小。由于計(jì)算公式的推導(dǎo)相比實(shí)際情況更理想化,實(shí)際情況的電流分布不完全均勻,因此這一誤差可能是由計(jì)算公式造成的。試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)是凹凸不平的[15],測(cè)量得到的厚度是最高點(diǎn)的厚度,而計(jì)算得到的厚度是平均厚度,如圖5所示。因此,用公式計(jì)算得到的試樣厚度和測(cè)量得到的試樣厚度相比,理論上偏小?？紤]到計(jì)算公式帶來(lái)的偏差,給計(jì)算公式乘以修正系數(shù)1.05,得到修正的計(jì)算公式。修正后的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果吻合,因此可以認(rèn)為這一計(jì)算方法是合理可行的。

圖5 計(jì)算厚度和測(cè)量厚度差異示意圖Fig.5 Schematic diagram of the difference between calculating thickness and measuring thickness

為了確認(rèn)直流電壓法的結(jié)果,采用掛片試樣的結(jié)果(減薄量)作為參考。試驗(yàn)前在片狀試樣的邊角處刻上鋼印標(biāo)記,然后用砂紙進(jìn)行表面處理,用酒精進(jìn)行超聲清洗去除表面污垢后,置于干燥箱中烘干并稱(chēng)取質(zhì)量。試驗(yàn)后,取出試樣進(jìn)行脫膜、清洗、烘干后稱(chēng)取質(zhì)量,根據(jù)試驗(yàn)前后的質(zhì)量減少來(lái)計(jì)算腐蝕速率。

3 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)條件

利用已有的模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況的試驗(yàn)回路對(duì)A106Gr B和A672Gr B60兩種碳鋼進(jìn)行流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn),所用兩種碳鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

給定試驗(yàn)條件:溫度150℃,壓力3 MPa,p H為9.7(加乙醇胺ETA調(diào)節(jié)),給水聯(lián)氨的質(zhì)量濃度大于等于40μg·L—1,給水溶解氧的質(zhì)量濃度小于5μg·L—1,流速9 m·s—1。在此試驗(yàn)條件下對(duì)該方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the test material（mass） %

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

進(jìn)行有效試驗(yàn)時(shí)間大于300 h的試驗(yàn)后,得到如圖6所示的電壓變化曲線。從圖6可以看到,試樣粗段和細(xì)段的電壓變化無(wú)明顯的規(guī)律,但是兩根曲線的變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明試樣所處的環(huán)境處于波動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)測(cè)量的電信號(hào)對(duì)溫度變化敏感,試驗(yàn)溫度在控制的平衡溫度附近波動(dòng),同時(shí)試驗(yàn)裝置所處的環(huán)境溫度也處于不穩(wěn)定狀態(tài),如晝夜溫差、陰晴溫差等,這些因素都會(huì)使電壓曲線無(wú)明顯變化規(guī)律。圖6中的電壓變化曲線說(shuō)明試樣所處的環(huán)境不穩(wěn)定,即不滿(mǎn)足推導(dǎo)過(guò)程中的假設(shè),因此需要使用無(wú)量綱電壓。

圖6 管狀試樣段電壓變化曲線Fig.6 The potential trend of the tube specimen

將試樣的細(xì)段和粗段的測(cè)量電壓相除,得到如圖7所示的無(wú)量綱電壓曲線。電壓曲線無(wú)量綱化后的結(jié)果具有較明顯的變化規(guī)律,說(shuō)明圖6中電壓曲線的不規(guī)律性和電阻率的變化有關(guān)。使用無(wú)量綱電壓在理論上不用滿(mǎn)足公式推導(dǎo)中的假設(shè),因此可以使用無(wú)量綱電壓和厚度減薄量的關(guān)系式,即式(1)。

圖7 管狀試樣段無(wú)量綱電壓變化曲線Fig.7 The non-dimensional potential trend of the tube specimen

根據(jù)試樣壁厚和無(wú)量綱電壓的關(guān)系式,即式(1),將試驗(yàn)測(cè)量得到的無(wú)量綱電壓換算成壁厚的減薄量,換算結(jié)果如圖8所示,可以看到兩種材料的腐蝕速率有明顯差異。將得到的壁厚減薄量曲線進(jìn)行線性擬合,得出直流電壓法在150℃ETA工況下,A106Gr B碳鋼的流動(dòng)加速腐蝕速率為0.019 98 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼的流動(dòng)加速腐蝕速率為0.011 19 mm·a—1。參照ASTM G1—03 (2011)[16],對(duì)片狀試樣進(jìn)行脫膜處理后,得到A106Gr B碳鋼稱(chēng)重法的腐蝕減薄速率為0.018 81 mm·a—1,A672Gr B60碳鋼稱(chēng)重法的腐蝕減薄速率為0.013 29 mm·a—1。

圖8 在150℃加ETA工況下管狀試樣段壁厚減薄量變化曲線Fig.8 Changing curves of thickness reduction of the tube specimen wall at 150℃with ETA

由于在正式試驗(yàn)前,試驗(yàn)回路需要清洗、試壓等操作,會(huì)使得片狀試樣氧化;同時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)、停止試驗(yàn)等需要一定的時(shí)間,這些操作都不可避免地使試樣受到不同程度的腐蝕。對(duì)于修正的直流電壓法,得到的結(jié)果與稱(chēng)重法得到的結(jié)果相比,A106Gr B碳鋼的偏差為6.2%,A672GrB60碳鋼的偏差為15.8%。因此可以認(rèn)為:兩種方法得到的不同結(jié)果在試驗(yàn)測(cè)量誤差范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果比較理想。

與此同時(shí),直流電壓法能夠更容易地表示出壁厚減薄量和時(shí)間的關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)不更換試樣的連續(xù)試驗(yàn),有效解決了傳統(tǒng)的掛片法試驗(yàn)結(jié)果不連續(xù)的特點(diǎn),完成相同的試驗(yàn)?zāi)軌虮葤炱ǐ@得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù),有助于試驗(yàn)結(jié)果的分析。直流電壓法在線測(cè)試可以不更換試樣,而改變單一試驗(yàn)條件連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),連續(xù)試驗(yàn)?zāi)芎?jiǎn)化試驗(yàn),節(jié)約試驗(yàn)成本。關(guān)于該試驗(yàn)方法的后續(xù)研究也將繼續(xù)開(kāi)展。

5 結(jié)論

通過(guò)模擬壓水堆核電廠二回路水化學(xué)工況,在前期試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)后,采用直流電壓的方法,在線測(cè)試了試樣的電壓變化,試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

(1)采用改進(jìn)的直流電壓法在線測(cè)試管壁減薄速率是合理可行的。與掛片法試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,改進(jìn)直流電壓法的結(jié)果具有較高的精度。

(2)溫度波動(dòng)對(duì)直流電壓法的試驗(yàn)結(jié)果有較明顯的影響,而在增大溫度控制精度的同時(shí),引入無(wú)量綱電壓有利于減小溫度波動(dòng)帶來(lái)的影響。

(3)改進(jìn)后的方法可以明顯減輕環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響。使用的管狀試樣,通過(guò)使用無(wú)量綱電壓,減輕了環(huán)境因素(如溫度)變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,降低了對(duì)試驗(yàn)條件控制的要求。

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On-line Testing Wall Thinning Rate of Flow Accelerated Corrosion for Carbon Steel by DC Voltage Method

LAI Ping1,ZHANG Le-fu1,PAN Xiang-feng1,SONG Li-jun2,LI Xin-min2
(1.School of nuclear science and engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute(SNPI),Suzhou 215004,China)

An on-line testing method of specimen wall thinning rate was researched and improved based on the previous testing method.A system was built to carry out the flow accelerated corrosion test by this method in simulated secondary water chemistry of PWR.The experimental results show that:the improvement of on-line testing method was reasonable for testing flow accelerated corrosion rate of carbon steel,and it could test continually without changing specimens and reduce the influence of its surroundings;temperature fluctuation had a great influence on the on-line measurement,and non-dimensional voltage could be brought in to reduce the influence.

DC voltage method;on-line testing;carbon steel;flow accelerated corrosion thinning rate

TG172.82

:A

:1001-4012(2017)01-0017-05

10.11973/lhjy-wl201701005

2016-04-18

賴(lài)平(1992—),男,碩士研究生,主要從事金屬材料腐蝕性能研究,laiping＠sjtu.edu.cn。