壓水堆核電廠硼結晶沖蝕現象數值分析

朱光昱，張祎王，林達平

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

硼酸結晶現象是二代改進型壓水堆核電廠中的常見問題，美國的土耳其角(Turkey Point)核電廠曾在檢修過程中發現壓力容器頂蓋上沉積了約227 kg的硼結晶，這些結晶對頂蓋上的設備造成了明顯的腐蝕[1]。國內某電廠也在換料大修階段在閥門盤根、法蘭和管道接頭等設備發現了大量的硼酸結晶[2]。

目前，硼結晶造成的設備腐蝕和管路阻塞問題已經得到了足夠的重視，由于硼結晶一般是含硼水溫度降低或泄漏后水分蒸發形成的，因此核電廠涉硼系統通常規定了相應的運行溫度和定期攪拌操作。然而除上述主要危害之外，管道設備內的硼結晶一旦脫落，在隨主流運動的過程中會對下游管道產生沖蝕。與電廠中關注的微米級別固體顆粒沖蝕不同，硼結晶顆粒直徑可達毫米級甚至厘米級，因此單個結晶即可對管道產生沖蝕損害，國內某電廠曾在管路中發現明顯劃痕并懷疑是由于硼酸結晶沖蝕導致的。管道或設備上的劃痕會破壞防腐蝕保護層或影響密封結構性能，同時導致其他化學腐蝕過程更容易發生，從而降低管道設備的可靠性，因此需要對該現象進行研究。對此，本文基于COMSOL Multiphysics軟件的CFD模塊對硼結晶沖蝕現象進行了數值模擬分析，研究了單個硼結晶質量、硼結晶總質量、結晶球形度和系統流量對局部沖蝕強度和管道質量損失的影響。

1 仿真模型

對于二代改進型核電廠，濃硼回路的硼含量較高且在每個換料大修期間需要將其中的水注入到一回來中，因此更容易發生硼結晶沖蝕的現象。本文針對上述過程采用沖蝕研究中經典的90度彎管[3]建立計算模型，具體如圖1所示，管道內徑d為66.7 mm，彎頭中心到端部距離為114 mm，直管長度為管道內徑10倍使得流動充分發展。換料大修期間將濃硼水注入一回路的流量一般為50 m3·h-1，折算流速約為0.993 8 m·s-1，此時已經處于旺盛的湍流狀態，需要選取適當的湍流模型。由于模型結構相對簡單，各類湍流模型計算的流場分布僅存在微小差異，對此本文選取適用于強流線彎曲流場計算的Realizable k-ε模型[4]計算管內流場，以確保局部流場的準確性。網格建立過程采用Y Plus值50作為第一層網格的厚度，為了較少計算量建立了面對稱模型，最終采用的網格數量為25 020。

圖1 計算域和網格劃分Fig.1 Calculation domain and mesh generation

固液兩相間的曳力設置為Haider-Levenspiel模型，參考吳等[5]對細沙顆粒曳力系數的研究結果，該模型可以較為準確的模擬與硼結晶類似的小顆粒沖蝕現象。參考許等[6]對沖蝕模型的介紹，采用沖蝕數值模擬工作較常用的Finner-Bitter模型，考慮硼酸結晶為宏觀粒子且僅考慮一次碰撞，初始化時控制釋放粒子的質量、個數、球形度和釋放時間來實現對少量硼酸結晶沖蝕現象的模擬。釋放的單個硼結晶重量參考核電廠實際情況設置。某電廠大修時核島硼結晶的統計結果[2]如表1所示，其中最大結晶重量為1 g，質量為0.1～0.5 g的結晶數量占總結晶數的80%以上，本次模擬工作選取相對數量較多的0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g的硼酸結晶進行。

數值模擬流程為先采用分離式求解器計算穩態流場，在獲得收斂結果后，采用全耦合求解器采用瞬態方式計算粒子在流場中的遷移過程和對管壁的沖蝕現象。由于計算模型的尺度有限，將管道壁面設置為凍結條件，即僅考慮硼結晶與管道的第一次碰撞。流場中水物性參考實際工況設置，壓力為將濃硼注入時一回路的壓力2.6 MPa，溫度采用略高于濃硼回路正常運行溫度的50 ℃。上述參數下，水的密度為989.16 kg·m-3，粘度為547.49 μPa·s。硼結晶的密度取1430 kg·m-3，管道材料參考鋼的物性進行設置，表面硬度為1.96 GPa，密度為7860 kg·m-3。

表1 硼結晶重量統計Table 1 Statistics of boron crystallization weight

2 仿真結果

圖2所示為1個1 g硼酸結晶和10個0.1 g硼酸結晶對管道沖蝕造成的局部質量損失。其中，單個結晶質量越大造成的局部最大質量損失越大即產生的沖蝕強度越強，相同的結晶總質量下，小質量結晶的沖蝕影響區域越大。由于多個硼結晶可能重復沖蝕管道上同一位置，因此管道上局部沖蝕強度并不與單個硼結晶質量成正比例關系。圖3詳細示出了不同的硼結晶總質量下，單個硼結晶重為0.1 g、0.2 g、0.5 g和1 g時造成的管道局部最大質量損失。硼結晶數量較少時，由于重復沖蝕有一定隨機性，局部沖蝕強度與單個硼結晶質量的關系不明確。隨著硼結晶數量增加，局部沖蝕強度體現出隨著單個結晶質量增加而增大的趨勢。圖4示出了圖3條件下硼結晶沖蝕造成的管道質量損失。雖然單個硼結晶造成的局部沖蝕不同，管道質量損失與硼結晶總質量幾乎為正比關系。參考鋼的密度進行計算，當硼結晶總質量達到25 g時，單次碰撞已經可以在管壁上形成近1 cm長的類似頭發絲粗細的劃痕。在實際條件下，硼結晶在溶解前可以多次碰撞管壁，因此如果水流中含有的硼結晶過多，則很有可能在管道內形成明顯的劃痕區域。

圖2 硼酸結晶沖蝕造成的質量損失Fig.2 Mass loss caused by boron crystallization

圖3 不同單個硼結晶質量下的局部最大質量損失Fig.3 Local maximum erosion intensity under different mass of single boron crystal

圖4 不同硼結晶總質量下的管壁質量損失Fig.4 Mass loss of the pipe wall under total mass of different boron crystal

在實際條件下硼結晶不會是標準的球形，圖5和圖6示出了硼結晶總質量為15 g時，不同球形度對0.2 g和0.5 g硼結晶沖蝕現象的影響。由于硼結晶球形度降低將導致其曳力系數增加[7]，在彎曲流場中硼結晶更容易隨流體轉向而使得沖蝕入射角，因此減輕了對壁面的沖擊，從而使局部沖蝕強度和管道質量損失均明顯降低。圖5和圖6示出了硼結晶總質量為15 g時，不同流量下0.2 g和0.5 g硼結晶對管壁的沖蝕效果。當流量下降40%時，局部最大質量損失和管道質量損失分別下降約54%和約63%，降低流量可以顯著減輕沖蝕現象。對于本文參考的濃硼回路注入一回路指令，可先采用較低的流量來避免硼結晶對管道的沖蝕，待一段時間硼結晶被沖刷掉之后再提高流量以完成迅速完成規程。

圖5 不同硼結晶球形度下的局部最大質量損失Fig.5 Local maximum mass loss under different boron crystal sphericity

圖6 不同硼結晶球形度下的管壁質量損失Fig.6 Mass loss of the pipe wall under different boron crystal sphericity

圖7 不同系統流量下的局部最大質量損失Fig.7 Local maximum mass loss under different system flow

圖8 不同系統流量下管壁質量損失Fig.8 Mass loss of the pipe wall under different system flow

3 結論

本文依托大修期間將濃硼注入一回路的特殊指令，采用COMSOL軟件建立計算模型研究了硼結晶對管道的沖蝕過程，計算結果表明：

1)單個硼結晶的質量越大造成的局部沖蝕強度越大；

2)由硼結晶沖蝕導致的管道質量損失與單個硼結晶的質量無關，且與硼結晶總質量成正比關系;

3)硼結晶的局部沖蝕強度和管道質量損失隨著硼結晶球形度或系統流量的降低而降低。