引言
蒸汽疏水系統作為核電廠二回路一個重要的輔助系統， 其主要目的和功能是防止凝結水在蒸汽管道中聚集， 將汽輪機中的水浸入和趙壓的可能減到最小， 同時保護蒸汽管道系統， 防止發生侵蝕和水錘現象。 系統接受各蒸汽管道的低位疏水袋內的凝結水， 經氣動疏水閥彙集到疏水集管或直接排向凝汽器。 在機組啟動過程中， 一旦凝汽器真空已經建立， 主蒸汽母管疏水將直接排至凝汽器內， 凝汽器內需保持真空負壓的有效。 一旦大口徑蒸汽疏水閥門出現故障需要隔離維修時， 凝汽器需要破真空，
2014年電廠2#機組正處於大修結束後期啟機階段， 主蒸汽母管至凝汽器疏水閥2-45210-PV4115動作時， 發現閥後所在管線有蒸汽外漏， 呈噴射狀（如圖1所示）， 機組被迫將主蒸汽母管疏水由凝汽器切換至大氣。
圖1 蒸汽疏水閥後管道砂眼蒸汽噴射
2012年電廠1#機組大修期間在執行蒸汽疏水閥門預防性維修解體工作時， 檢査發現1-45210-PV4107閥門閥芯及閥座部件、閥後碳鋼管道沖蝕嚴重（如圖2、圖3所示)， 不得不進行整閥及閥後部分管道的更換。
圖2 沖蝕嚴重的閥球
圖3 球閥閥座硬質合金塗層沖蝕剝落
閥門及系統功能筒介
電廠二回路熱循環系統疏水管道配有氣動疏水閥， 將疏水引向一個公用的汽輪機高壓集管，
圖5 球閥及控制邏輯
閥後自帶不繡鋼管道沖蝕情況
蒸汽疏水球閥在安裝時本身自帶一段管道， 以閥後管線砂眼的PV4115為例其材質為ASTMA182等級F22高溫鍛造鉻鉬不銹鋼， 焊接管道為ASTMA106B高溫作業用碳素鋼無縫鋼管。 本次發現洩漏的部位並非位於系統碳鋼管道上， 而是在閥門自帶的不銹鋼管段。 閥後自帶管段壁厚測量方式如圖6所示。
圖6 PV4115蒸汽
利用超聲波測厚儀（型號26MG， 儀器精度±0.1mm）對閥後不同材質管道進行逐點測厚， 如表1所示。
表1 壁厚測量結果 mm
根據表1測量資料發現不銹鋼管段A3區域測厚資料發生了異常減薄， 而焊縫後的碳鋼管段未見明顯管壁減薄現象。 其他區域壁厚分佈無明顯規律性。 隨即對漏點區域（長度為閥門法蘭至管道變徑處， 寬度為管道底部中心向兩側延伸各45°位置）進行擴大檢査。
從表2資料可以看出， 閥後直管段漏點附近資料測量值為9.0~9.3mm之間， 對其進行擴大檢測， 發現管道底部一整片區域資料異常， 區域內部分位置超聲波測厚儀無法獲得反射資料， 可測得資料在9.0~12.2mm之間。
閥後延伸碳鋼管道沖蝕情況
以PV4107為例， 閥後自帶管道材質與PV4115—致， 延伸管道管線材質為ASTM105碳鋼公稱外徑為48.26mm， 公稱壁厚為5.08mm。
結合圖8、表3可以看出， PV4107閥後碳鋼管段從焊縫位置後50mm開始大部分區域逐漸發生了減薄， 最薄處僅為2mm， 發生在閥後約4-6倍管徑處， 詳見圖9。
圖7 減簿區域擴大檢查範圍
圖8 閥後碳鋼段管測厚位置圖
表3 碳鋼段壁厚測量結果 mm
圖9 管壁減薄顯微圖
對閥後管道進行剖開目視觀察，管內表面形貌具有明顯的溝槽狀。進一步對管內表面進行宏/微觀分析，樣品1處宏觀可見明顯的溝槽，髙倍下溝槽底部呈現明顯的沖刷腐蝕形貌，宏社有條狀“水線，，痕跡，髙倍下（200x、500x)觀察可發現，此“水線”實為沿流速方向沖刷的小凹坑。其他沖蝕減薄部位形貌與樣品1處基本相似，均為沿流體方向的線狀沖刷凹坑。該凹坑現直接導致管道壁厚的減薄直至腐蝕穿孔。
綜上所述，蒸汽疏水氣動球閥閥後的管道管壁減薄情況，不僅僅出現在閥門自帶不銹鋼部分，其延伸的碳鋼管道也會出現不同情況的管壁減薄情況。對於大口徑4in閥門，其闊後管道壁厚的減薄集中出現與底部兩側45°區域，小口徑管道則呈現出整個環狀管壁減薄。
管壁減薄原因分析
4.1 化學成分及金相分析
採用電感耦合等離子光譜發生儀（ICP）對減薄管段化學成分進行分析，結果如表4所示。基體化學成分符合ASTMA182/A105的成分要求。
表4 減薄管段化學成分品質分數 %
從樣件的化學成分可以看出，不論是閥後自帶不銹鋼管段還是與系統介面的碳鋼管道，其化學元素含量均滿足標準要求，可以排除自身材質問題。
4.2 閥後管壁減薄原因分析
4.2.1 流速對管壁減薄影響
蒸汽疏水管道在機組正常運行期間其閥門本體測得溫度在100°C以上，若閥門不出現內漏則閥後管道溫度與閥前會存在明顯的差異。閥前內介質為汽水兩相流，本文中出現的閥後管道嚴重沖刷腐蝕，其實質為汽水兩相流體和金屬表面的相對運動而引起金屬的加速破壞現象。一般來說隨流速増大，腐蝕速度隨之増大。開始在一定的流速範圍內，腐蝕速度隨之緩慢增大，當流速達到某臨界時，腐蝕急劇上升。在髙流速條件下，不僅均勻腐蝕隨之嚴重，而且出現的局部腐蝕也隨之嚴重。當流體速度増大到“剝離速度”以上，表面的剪切應力大到可以撕裂或剝離保護性氧化膜，此時腐蝕過程變為磨蝕過程。
4.2.2 流速分析
以文中提及的PV4107為例，查閱給水加熱和抽汽系統手冊，PV4107閥前疏水袋溫度約為170丈，壓力約為1.2MPa，閥後壓力約0.01MPa（表壓，考慮閥後管線至凝汽器的管阻壓降），査閱水-水蒸氣熱力性質表，閥前流體密度為897kg/m3。在這種情況下，只要閥門略有節流降壓，流體就會發生閃蒸，產生該壓力下的飽和水以及飽和汽。査閱水的飽和蒸汽壓表，1.2MPa對應的飽和溫度為187°C，因此閥前過冷度為17°C。根據Spiraxsarco閃蒸蒸汽計算軟體，求得冷凝水經過PV4107閥後，約產生13.7%（品質百分比）的蒸汽。查閱水-水蒸氣熱力性質表，0.01MPa壓力下，飽和液密度989kg/m3，飽和汽密度0.068kg/m3。由於此段管線流速未知，假設閥前流速0.1m/s，則閥前流量為
閥後流體流速為
上述計算表明，此工況下發生閃蒸後閥後流體速度會増加1000~2000倍，如此髙流速的濕蒸汽對閥後管道產生極強的沖刷作用，形成所示沖刷形貌。
圖10 碳鋼管道橫向金相組織（鐵素體+珠光體）
該閥球材料為410SS/RAM31，閥球後管段材料為A182-F22/RAM31。410SS以及A182-F22分別為馬氏體不銹鋼和Cr-Mo鋼，RAM工藝為VT訟司火箭噴鍍技術，在材料表面噴塗一層硬質合金，RAM31為在閥球和閥球後管道表面噴塗一層80%Cr2C3+20%Ni-Cr粉末，表面硬度可達66~69HRC。如此髙的硬度下閥球發生破損，這表明經過閥球後流體流速非常快，沖刷作用很強，與上述計算結果一致。
結論
高溫髙壓冷凝水經過閥蒸汽疏水閥後，發生閃蒸，產生濕蒸汽，經計算閩後蒸汽速度會陡然增大約1000~2000倍，對閥球及閥後連接的管道產生極強的沖刷作用。這種流速的急劇變化是造成蒸汽疏水系統金屬球閥閥體及閥後管道內表面形成眾多溝槽、管壁發生減薄的根本原因。因此在閥門的預防性維修應對策略上，對於二回路蒸汽疏水系統的金屬硬密封球閥閥後管道，增加定期的管道壁厚測量項目顯得非常重要，尤其是針對沖蝕嚴重的閥後6倍管徑範圍內，増加無損檢測管道壁厚專案可提前判斷閥門管道的減薄情況，準備充足備件以免出現蒸汽洩漏影響凝汽器真空度給機組電功率造成波動。
圖9 管壁減薄顯微圖
對閥後管道進行剖開目視觀察，管內表面形貌具有明顯的溝槽狀。進一步對管內表面進行宏/微觀分析，樣品1處宏觀可見明顯的溝槽，髙倍下溝槽底部呈現明顯的沖刷腐蝕形貌，宏社有條狀“水線，，痕跡，髙倍下（200x、500x)觀察可發現，此“水線”實為沿流速方向沖刷的小凹坑。其他沖蝕減薄部位形貌與樣品1處基本相似，均為沿流體方向的線狀沖刷凹坑。該凹坑現直接導致管道壁厚的減薄直至腐蝕穿孔。
綜上所述，蒸汽疏水氣動球閥閥後的管道管壁減薄情況，不僅僅出現在閥門自帶不銹鋼部分，其延伸的碳鋼管道也會出現不同情況的管壁減薄情況。對於大口徑4in閥門，其闊後管道壁厚的減薄集中出現與底部兩側45°區域，小口徑管道則呈現出整個環狀管壁減薄。
管壁減薄原因分析
4.1 化學成分及金相分析
採用電感耦合等離子光譜發生儀（ICP）對減薄管段化學成分進行分析，結果如表4所示。基體化學成分符合ASTMA182/A105的成分要求。
表4 減薄管段化學成分品質分數 %
從樣件的化學成分可以看出，不論是閥後自帶不銹鋼管段還是與系統介面的碳鋼管道，其化學元素含量均滿足標準要求，可以排除自身材質問題。
4.2 閥後管壁減薄原因分析
4.2.1 流速對管壁減薄影響
蒸汽疏水管道在機組正常運行期間其閥門本體測得溫度在100°C以上，若閥門不出現內漏則閥後管道溫度與閥前會存在明顯的差異。閥前內介質為汽水兩相流，本文中出現的閥後管道嚴重沖刷腐蝕，其實質為汽水兩相流體和金屬表面的相對運動而引起金屬的加速破壞現象。一般來說隨流速増大，腐蝕速度隨之増大。開始在一定的流速範圍內，腐蝕速度隨之緩慢增大，當流速達到某臨界時，腐蝕急劇上升。在髙流速條件下，不僅均勻腐蝕隨之嚴重，而且出現的局部腐蝕也隨之嚴重。當流體速度増大到“剝離速度”以上，表面的剪切應力大到可以撕裂或剝離保護性氧化膜，此時腐蝕過程變為磨蝕過程。
4.2.2 流速分析
以文中提及的PV4107為例，查閱給水加熱和抽汽系統手冊，PV4107閥前疏水袋溫度約為170丈，壓力約為1.2MPa，閥後壓力約0.01MPa（表壓，考慮閥後管線至凝汽器的管阻壓降），査閱水-水蒸氣熱力性質表，閥前流體密度為897kg/m3。在這種情況下，只要閥門略有節流降壓，流體就會發生閃蒸，產生該壓力下的飽和水以及飽和汽。査閱水的飽和蒸汽壓表，1.2MPa對應的飽和溫度為187°C，因此閥前過冷度為17°C。根據Spiraxsarco閃蒸蒸汽計算軟體，求得冷凝水經過PV4107閥後，約產生13.7%（品質百分比）的蒸汽。查閱水-水蒸氣熱力性質表，0.01MPa壓力下，飽和液密度989kg/m3，飽和汽密度0.068kg/m3。由於此段管線流速未知，假設閥前流速0.1m/s，則閥前流量為
閥後流體流速為
上述計算表明，此工況下發生閃蒸後閥後流體速度會増加1000~2000倍，如此髙流速的濕蒸汽對閥後管道產生極強的沖刷作用，形成所示沖刷形貌。
圖10 碳鋼管道橫向金相組織（鐵素體+珠光體）
該閥球材料為410SS/RAM31，閥球後管段材料為A182-F22/RAM31。410SS以及A182-F22分別為馬氏體不銹鋼和Cr-Mo鋼，RAM工藝為VT訟司火箭噴鍍技術，在材料表面噴塗一層硬質合金，RAM31為在閥球和閥球後管道表面噴塗一層80%Cr2C3+20%Ni-Cr粉末，表面硬度可達66~69HRC。如此髙的硬度下閥球發生破損，這表明經過閥球後流體流速非常快，沖刷作用很強，與上述計算結果一致。
結論
高溫髙壓冷凝水經過閥蒸汽疏水閥後，發生閃蒸，產生濕蒸汽，經計算閩後蒸汽速度會陡然增大約1000~2000倍，對閥球及閥後連接的管道產生極強的沖刷作用。這種流速的急劇變化是造成蒸汽疏水系統金屬球閥閥體及閥後管道內表面形成眾多溝槽、管壁發生減薄的根本原因。因此在閥門的預防性維修應對策略上，對於二回路蒸汽疏水系統的金屬硬密封球閥閥後管道，增加定期的管道壁厚測量項目顯得非常重要，尤其是針對沖蝕嚴重的閥後6倍管徑範圍內，増加無損檢測管道壁厚專案可提前判斷閥門管道的減薄情況，準備充足備件以免出現蒸汽洩漏影響凝汽器真空度給機組電功率造成波動。