輕水堆核電廠二回路汽水管道主要包括主蒸汽管線、主給水管線、凝結(jié)水管線、疏水管線、抽汽管線、再熱蒸汽管線等。上述管線多采用碳鋼（如A106B鋼）或低合金鋼（如A335和P11低合金鋼）制造，管道內(nèi)徑通常為25.4~800mm，壁厚通常為3.4~80mm?管線中存在彎頭、變徑、三通、節(jié)流孔板、閥門等結(jié)構(gòu)形狀變化顯著且易發(fā)生湍流的部位。

管線材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀、服役環(huán)境等因素的影響以及流動加速腐蝕（FAC）？液滴沖擊（LDI）？汽蝕（Cavitation erosion）等老化機理的長期作用易導(dǎo)致管線在上述敏感部位發(fā)生局部減薄。其中，F(xiàn)AC引起的局部減薄是汽水管道失效的主要原因。汽水管道內(nèi)結(jié)構(gòu)突變區(qū)域（如主蒸汽、抽汽、疏水管線上的三通、節(jié)流孔板后、彎頭、節(jié)流閥后等區(qū)域）易發(fā)生LDI。在單相介質(zhì)管道內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致流速突升的區(qū)域（如控制閥或流量調(diào)節(jié)閥處）易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

01 流動加速腐蝕

流動加速腐蝕（FAC）早期也稱為沖刷腐蝕，是由于單相液流或汽/液雙相流在局部湍流部位加速了碳鋼或低合金鋼表面的保護性氧化膜溶解，造成碳鋼或低合金鋼局部腐蝕速率增大的現(xiàn)象。核電廠二回路汽水管道由于蒸汽品質(zhì)、水化學(xué)條件、材料、流速及結(jié)構(gòu)特點等原因，易發(fā)生FAC。

FAC形成局部減薄示意圖

1 位置特征

FAC多發(fā)生在汽水管道結(jié)構(gòu)突變或易發(fā)生湍流部位，如彎頭、三通、大小頭、節(jié)流孔板后直管段及環(huán)焊縫鄰近區(qū)域等。

例如，1986年12月9日美國薩里核電站2號機組滿功率運行時，其給水泵入口管線的一個A234碳鋼制彎頭因FAC減薄導(dǎo)致破裂，附近正在進行其他管線保溫更換工作的8人受蒸汽灼傷，4死4傷。2004年8月9日，日本關(guān)西電力公司美濱3號機組給水回路中低壓加熱器與除氧器之間給水管道上一個孔板流量計下游的管段發(fā)生FAC減薄并破裂，造成11人傷亡，其中5人死亡、6人受傷。

此外，汽水管道環(huán)焊縫根部及其附近區(qū)域，由于湍流和Cr元素含量差異，也會發(fā)生FAC引起的局部減薄現(xiàn)象。

2 形貌特征

通常FAC肉眼難于鑒別，但適當(dāng)放大后，在單相液流中，多為馬蹄坑、扇貝狀或橘子皮狀，汽液雙相流中多表現(xiàn)為明暗相間的條帶或斑紋狀。腐蝕區(qū)域及附近通常有氧化膜且高倍下無顯著機械形變。

3 機理特征

FAC是電化學(xué)腐蝕與流動加速溶質(zhì)傳質(zhì)起主要作用，有時可能會疊加機械力作用的一種過程。

4 合金元素的影響

通常，隨著Cr?Mo?Cu含量的增加，特別是Cr含量的增加，碳鋼、低合金鋼的FAC速率會顯著降低。

碳鋼、低合金鋼FAC速率也受流速、結(jié)構(gòu)形狀、溫度、pH、水化學(xué)條件等因素影響，其主要應(yīng)對措施是提高管道材料Cr含量、控制pH、對敏感區(qū)域定期或持續(xù)進行厚度測量。

需要注意，核電廠二回路汽水管道中，受介質(zhì)品質(zhì)和流速影響，存在沖蝕（包括LDI和汽蝕）和FAC共同作用導(dǎo)致的局部減薄。此時，可粗略根據(jù)主導(dǎo)作用是機械力還是化學(xué)腐蝕＋局部傳質(zhì)來區(qū)分主導(dǎo)減薄機理。

02 液滴沖擊

液滴沖擊（LDI）也稱“液滴沖擊沖蝕”或“液滴沖擊腐蝕”。汽水管道易發(fā)生LDI的區(qū)域主要是被汽流中所攜帶的液滴間歇反復(fù)沖擊的區(qū)域（如彎頭的背彎區(qū)域和節(jié)流孔板后的特定區(qū)域），這些區(qū)域會在局部產(chǎn)生強大的脈沖力并引起沖蝕，如圖1所示。汽水管道內(nèi)壁由于連續(xù)暴露在這種反復(fù)而離散的沖擊作用下，會使內(nèi)壁氧化膜或母材被逐漸侵蝕而發(fā)生減薄。

LDI形成局部減薄示意圖

1 位置特征

LDI易發(fā)生在汽相為主的汽液兩相流汽水管線中，通常發(fā)生在介質(zhì)流動方向有顯著變化的區(qū)域，如上圖中，水平向前的汽流中所攜帶的液滴直接沖擊彎頭的背彎區(qū)域。

2 形貌特征

通常LDI影響區(qū)域比FAC影響區(qū)域小，且多為一個局部的蝕坑，其形狀也受多種條件影響。宏觀可見蝕坑表面存有流線切割特點的沖蝕痕跡。高倍下可見顯著的機械形變。

上圖為某核電廠碳鋼集汽管受與之相連的排放管中兩相流的液滴沖擊作用，形成一個環(huán)形的局部減薄區(qū)域并導(dǎo)致高溫蒸汽泄漏，圖中亮色區(qū)域為管道母材。液滴沖擊區(qū)域存在松散四氧化三鐵銹層，這與液滴碰撞后產(chǎn)生的高速液滴對氧化膜的沖蝕作用有關(guān)。

筆者在2000年某次抽檢國內(nèi)某核電廠汽輪機乏汽管道時，發(fā)現(xiàn)其彎頭內(nèi)壁局部區(qū)域一個“鵝蛋”大小的局部減薄，壁厚從11.7mm減薄至4.5mm，而周圍的大面積母材無任何其他局部減薄。

1976年，Oconee核電廠3號機組汽輪機乏汽管線的局部減薄泄漏疑似也是由LDI作用導(dǎo)致的。

3 機理特征

汽水兩相流中的高速液滴對金屬表面間歇但反復(fù)碰撞以及碰撞后的沖擊、剪切等機械力主導(dǎo)的局部減薄，也可能伴隨氧化膜的破裂。

4 合金元素的影響

可忽略。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼的汽水管道都有可能發(fā)生LDI。

核電廠汽水管道LDI主要受蒸汽品質(zhì)、流速、流道形狀變化情況影響。因此，其主要應(yīng)對措施是控制蒸汽品質(zhì)、抑制流速、特定部位增加抗液滴沖擊結(jié)構(gòu)、定期進行厚度測量等。

03 汽蝕

汽蝕又稱空蝕、穴蝕。汽水管道中的汽蝕主要是指高溫高壓水在高速流動和壓力變化條件下，即高速減壓區(qū)，形成氣泡或空穴，而后其隨高溫高壓水流動到壓力超過氣泡壓力的區(qū)域時，氣泡潰滅并沖擊與之接觸的金屬表面或其保護膜的過程。

1 位置特征

易發(fā)生在液相管道結(jié)構(gòu)尺寸突變區(qū)域（如閥門及其下游或節(jié)流孔板下游）。此外，高速流動液相管道中氣泡較多時，流經(jīng)環(huán)焊縫之后易形成固定氣穴的區(qū)域（特別是內(nèi)部焊瘤較高時）或流經(jīng)彎頭處在局部管壁發(fā)生大量氣泡潰滅的區(qū)域。

2 形貌特征

不同的汽蝕階段，宏觀損傷形貌會有一定差別，但高倍下都會發(fā)現(xiàn)顯著的機械變形。通常，汽蝕初期，金屬表面首先會形成許多細小麻點并變粗糙，繼而表面呈現(xiàn)溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀、海綿狀等痕跡；嚴重時形成坑穴并可造成穿孔或破裂。

3 機理特征

氣泡或空穴形成、潰滅并沖擊管道局部內(nèi)壁的氧化膜或金屬的非穩(wěn)定損傷過程。

碳鋼、低合金鋼、不銹鋼的汽水管道都有可能發(fā)生汽蝕。核電廠二回路汽水管道汽蝕主要受液體特性、溫度、壓力、流速、流道形狀變化情況等影響。其主要應(yīng)對措施是控制氣泡或空穴的數(shù)量，如增加排氣、噴淋等，減少閥門、節(jié)流孔板，控制焊縫成型質(zhì)量，優(yōu)化彎頭結(jié)構(gòu)以便減緩液體壓力變化。所以，在設(shè)計階段超前主動優(yōu)化結(jié)構(gòu)防止氣穴產(chǎn)生，并在服役時保持適當(dāng)?shù)倪\行條件，是防止汽蝕最有效的方式。