中性pH条件下结合薄层活化技术与CFD建模对碳钢弯管中流动加速腐蚀的在线监测

《Engineering Failure Analysis》：Integration of thin layer activation technique and CFD modeling for online monitoring of flow-accelerated corrosion in carbon steel pipe bends under neutral pH conditions

　　

• TLA（薄层活化技术）能够在线检测碳钢中的亚微米级材料流失。
• TLA、超声波检测和计算流体力学（CFD）预测的FAC（流动加速腐蚀）速率吻合度在8%以内。
• CFD能够映射整个弯管内的壁面剪切应力和质量传递情况。
• D-数理论能够量化CFD预测中的认知不确定性。
• 流速是影响壁面剪切应力的主导参数。

引言

流动加速腐蚀（FAC）是影响核电站碳钢管道系统结构完整性的最显著退化机制之一，尤其在压重水反应堆（PHWRs）中尤为突出。1986年美国萨里反应堆给水管道发生的灾难性失效事件，被归因于弯头处腐蚀与质量传递共同作用导致的局部管壁减薄[1]，标志着对该现象严重性的认识进入了一个关键转折点。此后，包括2004年日本美滨3号机组事故在内的后续事件（破裂的给水管道造成五人死亡），进一步强调了理解并缓解核电站FAC问题的关键重要性[2]。这些事件推动了广泛的研究工作，旨在开发针对FAC导致管壁减薄的可靠预测模型和监测技术。

FAC的基本机制涉及流动水或湿蒸汽中碳钢表面保护性磁铁矿Fe?O?氧化层的溶解，随后是可溶性腐蚀产物从管壁向主体流体的输运[3]、[5]。随着氧化层逐渐变薄且保护性能下降，腐蚀速率会加速，直到在氧化层形成与溶解之间建立起动态平衡。PHWRs中的出口给水弯头特别容易受到FAC影响，因为它们暴露在高温冷却剂、冷却剂中铁未饱和、高流速以及弯头固有的几何复杂性之下[3]。这些因素共同作用，既促进了氧化层的电化学溶解，又增强了腐蚀产物从金属表面向外的质量传递。

FAC的多面特性受水动力、化学、材料和几何参数之间错综复杂相互作用的支配。水动力因素，包括流速、湍流强度和管道几何形状，显著影响流体-管壁界面处的壁面剪切应力（WSS）分布和质量传递系数（MTC）。高流速增强了腐蚀性物种的对流输运并促进了保护性氧化层的去除，而湍流则促进混合并增加MTC，从而加速腐蚀过程[2]、[11]。Moon等人的近期研究[32]已确定周向速度和轴向涡度是影响弯头处FAC的主导水动力参数，表明应采用速度和涡度分量的组合来表征管壁减薄模式。Xu等人[33]进一步证明，径向速度分量可以作为预测弯头管段FAC速率的有效参数，内弯处最大径向速度对应于管壁减薄最大的区域。

化学参数在控制FAC行为方面起着同样关键的作用。冷却剂的pH值会影响磁铁矿的溶解度和金属表面的腐蚀电位。在碱性条件下（pH 10.2），磁铁矿的溶解度降低，导致腐蚀速率降低[5]。然而，在中性pH条件下（例如反应堆启动和停机运行中遇到的情况），由于氧化物溶解度增加，腐蚀速率会显著更高[6]。温度会影响电化学反应的动力学和磁铁矿的溶解度，较高温度通常增强扩散系数并加速FAC[15]。溶解氧含量必须严格控制，因为低溶解氧条件（核反应堆冷却剂中的典型情况）可维持保护性磁铁矿层，而氧含量的变化则会破坏该层并导致腐蚀加速[7]。Yoneda和Fujiwara [31]最近证明，碳钢中的微量铬能显著抑制FAC，且这种效应在中性溶液中比在碱性溶液中更为显著，并开发了包含这些成分效应的预测模型。管道系统的物理构型是影响FAC易感性的另一关键因素。管道弯头、弯管、三通和突然收缩或扩张处会产生局部湍流和流动扰动，增强质量传递并加速腐蚀[3]、[11]。弯头几何形状，包括弯头半径和弯头角度，决定了二次流的发展程度，这显著影响WSS分布。出口给水弯头一直被确定为受影响最严重的区域，因为它们暴露在高温冷却剂、铁未饱和、高速度以及不利几何形状之下[3]。这些因素之间的复杂相互作用使得FAC预测尤为困难，因此必须同时采用实验调查和计算建模方法。

传统的FAC监测方法，如超声波测厚（UT）技术，存在显著局限性。超声波测量至少需要100μm的厚度损失才能可靠检测，这使得在发生显著管壁减薄之前无法早期检测FAC[4]。此外，使用超声波探头进行在线厚度测量在超过50°C的温度下不可行，严重限制了其在实际电厂运行条件下的应用。全面的管壁厚评估还受到反应堆系统内关键位置访问受限以及高辐射环境使测量程序复杂化的限制[4]。重力法（失重法）虽然能提供准确的长期腐蚀速率，但需要较长的实验持续时间，且无法确定复杂几何形状中管壁减薄最大的确切位置[5]。传统的环状试样方法虽然可用于估算整体腐蚀速率，但无法捕捉沿管道弯头的管壁减薄空间分布[6]。

针对这些局限性，薄层活化（TLA）技术作为一种灵敏且多用途的FAC监测方法脱颖而出。该技术利用粒子加速器中的带电粒子轰击试样表面，在薄薄的表层内产生发射γ射线的放射性同位素。随着材料因腐蚀而从试样中流失，放射性活度按比例减弱，从而允许通过放射性探测系统进行实时测量[6]、[8]。TLA技术具有极高的灵敏度，能够检测低于1μm的材料损失和纳克级的质量损失[6]。通过选择合适的束流能量和辐照角度，放射性活度的深度剖面和活化程度均可精确控制[10]、[13]。Subramanian等人[6]成功利用??Fe(p,n)??Co反应对模拟的直给水管道进行管壁减薄的快速在线测量，观察到腐蚀速率具有显著的流速和pH依赖性。Madasamy等人[8]将该方法扩展到PHWR运行条件（290°C，pH 10.2），在50NB Sch 160管道弯头上实现了TLA测量与计算模拟之间的良好相关性。

计算模拟已成为理解并预测复杂几何形状中FAC行为不可或缺的工具。模拟能够实现对流场、WSS分布、湍流特性和MTC的详细映射，而这些在实验测量中通常难以实现[11]、[15]。标准的k-ε湍流模型常用于模拟管道弯头中的流动条件，能够可靠预测近壁面流动行为[9]、[11]。Rani等人[11]对三维弯头中的FAC进行了全面研究，证明WSS和MTC分布与FAC速率高度相关。研究发现，最高WSS出现在弯头内弯侧壁上，随着流体流经管道弯头，内弯处的剪切应力逐渐降低，而沿外壁逐渐增加。Pietralik和Schefski [15]研究了FAC管壁减薄条件下弯头中的流动和质量传递，建立了MTC与流动参数之间的相关性。

近期研究通过整合实验和计算方法进一步完善了对FAC的理解。Al-Abed Allah等人[30]对核电站中FAC机制、缓解和管理提供了全面综述，汇总了当前的理解并确定了新兴研究方向。Li等人[34]开发了一个90°碳钢弯头在CO?环境中FAC预测的机理模型，该模型纳入了质量传递、电化学反应动力学和氧化膜生长。表1总结了该领域的重要研究，突出了从纯实验方法向整合实验-计算方法的演进。

尽管在实验技术和计算建模方面取得了显著进展，但在FAC的理解和预测方面仍存在几个关键研究空白。传统技术的测量灵敏度局限性，特别是超声波检测至少需要100μm厚度损失的要求，阻止了在发生显著管壁减薄之前早期识别FAC。虽然TLA提供了更高的灵敏度，但其在实际电厂运行条件下的应用，特别是在反应堆系统的高辐射环境中，仍需进一步验证和完善。高温条件下的在线监测挑战仍未解决，因为超声波探头无法在超过50°C的温度下有效工作，限制了其在反应堆运行期间的使用[4]。确定管壁减薄最大位置的关键地点问题被FAC速率的非线性空间变化以及传统方法无法提供管壁减薄空间映射的能力所复杂化。尽管环状试样实验提供了一些见解，但它们无法捕捉实际管道弯头中管壁减薄最大的确切位置[5]、[6]。将管道试样用于TLA实验可弥补这一空白，但需要根据计算预测仔细选择辐照位置。

涵盖多个影响因素（pH、温度、溶解氧、铬含量、几何形状）之间相互作用的全面参数研究仍然有限，大多数研究仅关注单一参数变化而未研究协同效应[30]、[31]。在核反应堆运行相关条件下（尤其是代表反应堆启动和停机的中性pH条件）的模拟验证仍不充分。模拟与实验测量之间的一致性需要系统量化，并需表征相关的不确定性[8]、[11]。此外，与模拟相关的认知不确定性，包括网格细化、湍流模型选择和边界条件设定，尚未进行系统量化。运行参数不确定性（流速、pH、温度、溶解氧）对预测管壁减薄速率的影响需要全面评估。大多数实验FAC研究是在未能完全复制反应堆运行环境的条件下进行的，特别是关于温度、压力和辐射效应。TLA用于实际反应堆给水管道FAC在线监测的应用需要进一步验证。最后，预测性FAC代码的开发需要大量、高质量的实验数据，而在严格控制条件下的可靠实验数据不足，尤其是在中性pH条件下，这使得此类代码的验证和校准受限。

本研究通过采用高灵敏度的TLA技术，在中性pH条件下测量4D弯头半径、58°弯头角碳钢管道弯头中的FAC速率，来解决这些研究空白。TLA技术能够检测低于0.1μm的材料损失。研究重点在于开发并验证TLA技术用于管道弯头试样的FAC在线监测，通过质子束活化内表面产生??Co活度，并测量γ射线活度随时间的衰减。将通过TLA测量确定弯头段中管壁减薄最大的关键位置，并与传统UT测量结果进行比较，以证明TLA方法在灵敏度和在线监测能力方面的优越性。使用ANSYS Fluent在相同流速7 m/s和温度120°C的流动条件下进行模拟，以建立管道弯头中的流动结构、WSS、速度等值线和MTC分布模型。将实验TLA测量结果与模拟的WSS和MTC相关联，以验证计算模型并量化预测精度。使用D-数理论量化与运行参数（包括流速、pH、温度、溶解氧）相关的认知不确定性，以评估其对预测WSS的影响。最终，本研究将为开发和验证适用于PHWR主冷却剂系统的FAC预测代码提供实验数据。本工作的创新性在于整合高灵敏度TLA测量、详细模拟和系统不确定性量化，为理解与反应堆启动和停机运行相关的中性pH条件下的FAC行为提供全面洞察。

章节摘要

材料与实验方法

弯头管道试样的制备及其表征在附录中与TLA程序一并讨论。

计算建模

使用ANSYS Fluent软件在相似的实验流动条件下进行了数值计算，以模拟壁面剪切应力（WSS）对4D弯头半径、58°弯头角碳钢管道弯头中流体流动的影响。

模拟实验旨在预测流场、壁面剪切应力（WSS）分布、速度轮廓以及最大壁厚腐蚀率（MTC），随后将其与实验所得的薄层活化（TLA）测量结果进行关联。

**活性分布与标定曲线**

在质子辐照过程中产生的放射性同位素的深度依赖性活性分布是TLA技术的基础。活性剖面通过公式（1）以0.5微米的增量进行计算，模拟试样内部的活化层。图6展示了碳钢试样中重要元素（??Co、??Co和??Co）沿深度的活性分布。

??Co同位素通过??Fe(p,n)??Co反应生成，在表面处表现出最大活性。

**认知不确定性分析**

进行了不确定性分析，以确定哪些操作参数（如流速、温度、pH值和溶解氧）对流剪切应力作用下的壁厚减薄速率产生影响。处理认知不确定性的现代方法包括模糊集[18]、[19]、德姆普斯特-沙弗理论（DST）[20]、[21]以及可能性理论[22]。由于DST能够处理非特异性、模糊性和并列信息，众多研究人员倾向于使用DST。

**结论**

薄层活化（TLA）方法已成功应用于中性pH条件下，在碳钢管道弯头特定位置原位测量因流动加速腐蚀（FAC）导致的壁厚减薄。与传统的重量法相比，该方法显著缩短了低磨损率材料的测试时间。基于实验测量、模拟和不确定性分析的结果，得出以下结论：

1.
**CRediT作者贡献声明**

P. Madasamy：撰写——初稿、验证、方法论、调查、数据整理、概念构思。

H.P. Rani：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、方法论、形式化分析、概念构思。

R. Senthil Kumar：撰写——初稿、验证、软件、方法论、调查、形式化分析。

S. Velmurugan：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理。

T.V. Krishna Mohan：撰写——审阅与编辑、

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢匿名审稿人提出的宝贵意见和建设性建议。

作者 gratefully 感谢H. Subramanian博士在试样辐照方面提供的宝贵帮助，以及在研究过程中进行的富有洞察力的讨论。作者还诚挚感谢SIM回路设施的工程师们——Y.V. Harinath先生、N. Jayaram先生、P. Chandramohan、M. Mukunthan、P.J. George先生和K. Amit先生——对他们的全力支持表示感谢。

P. Madasamy | H.P. Rani | R. Senthil Kumar | S. Velmurugan | T.V. Krishna Mohan | J.P. Nair | T. Divya