1. 机组概况与管道腐蚀特征

目标机组型号为MHDB-M701F4-Q1，配套卧式露天布置三压、再热、无补燃 自然循环余热锅炉，换热受热面包含省煤器、过热器和蒸发器三类对流管束，高、中、低压三个锅筒和除氧器布置于炉顶钢架，低压锅筒同步承担除氧器水箱功能。低压蒸发器设计工质流量为54.09 t/h，出口工质温度为205℃，额定工作压力为1.41MPa，受热面管材选用20G碳素锅炉钢，成品管壁基准壁厚6mm。机组承担电网调峰任务，启停频次高，工况波动幅度大。

现场截取发生泄漏的失效弯管分段取样，管壁宏观形貌如图1所示。由图1(a)可见，弯管内壁表面凹凸不平，局部壁厚显著减薄，存在大量流体冲刷腐蚀(EC)形成的凹坑，汽水两相流冲刷损伤特征显著；图 1(b~ c)显示弯管外壁全覆盖疏松多孔黄褐色氧化腐蚀层，氧化产物附着力差 ，极易脱落，说明外壁长期发生持续性氧腐蚀，烟气酸性介质协同加剧管壁损伤。

为定量解析管内汽水两相流、管外烟气流动对管壁腐蚀的驱动作用，采用 ANSYSICEM-CFD划分结构化网格，Fluent开展瞬态流体仿真；管壁边界层区域网格加密提升近壁流场计算精度，湍流模型选用 Realizable k-ε模型，全程开启能量守恒方程,设置标准重力场。进口边界为速度入口、出口为压力出口，壁面采用无滑移边界条件。弯管计算几何入口直管段长度 1000mm，出 口直管段长度2000mm，弯管弯折角度 150°。

管内介质为汽水两相混合物，采用离散相模型(DPM)耦合连续相双向传质，内置 Fluent自带冲蚀损伤模型定量计算颗粒冲刷损耗；压强-速度耦合选取SIMPLE算法，湍动能、耗散率离散格式选用二阶迎风式。基于 M.I. T模型流动加速腐蚀(FAC)理论模型，结合壁面剪切应力、传质系数定量关联 FAC腐蚀速率(_vFAC)，计算公式如式(1)所示。

式中：c_eq为可溶性含铁组分的浓度,mol/L;c_∞为流动主体区域内的 Fe²⁺的浓度,mol/L;K ^*为反应生成 Fe²⁺的反应速率常数; f 为基体和氧化膜界面Fe²⁺转化为氧化物的比例；K 为传质系数；δ为氧化膜的厚度，m；D为扩散系数，m²/s。

v_FAC 与传质系数呈正相关，简化关联关系见式(2)；金属铁氧化物平衡溶解度由式(3)计算，管壁传质系数可通过式(4)求解，FAC腐蚀速率随传质系数升高同步增大。

由图2可见：汽水介质流入弯管前流动充分发展，流速均匀；进入150°弯折区域后流体向弯头内侧汇聚，内侧流速骤增，流场湍流扰动剧烈，沿流动方向外弯侧流速逐步回升。黏性流体在管壁形成梯度剪切力，弯头内侧壁面剪切应力峰值显著高于其余区域。

随着流速增加，传质系数增大，与速度分布变化趋势一致。弯管内侧的流场最为紊乱，流体间动量交换、能量传递更为频繁、剧烈，界面传质过程被显著强化，传质系数达到峰值。结合M. I. T 模型判断，150°弯头内壁内侧流动加速腐蚀程度最为严重；DPM冲蚀云图表明，弯头外侧壁面受汽水液滴、细小气泡持续冲击，以冲刷腐蚀损伤为主，两种腐蚀模式在弯管不同区域分区共存、协同减薄管壁。

烟气侧介质设置为气相烟气，标准 k-ε 湍流模型，烟气入口流速5 m/s，出口采用自由出流边界，迭代收敛判定标准为连续性残差小于10^-3。

由图3可见：在低压蒸发器上升管烟气侧，烟气主流直接冲击弯管外壁外侧区域，该区域烟气流速高、静压差值大，气流持续冲刷破坏外壁原生氧化钝化膜；弯头外壁内侧受管壁遮挡，烟气流动平缓，对氧化膜剥离作用微弱。烟气内含 CO、CO₂、水蒸气，冷凝后形成酸性腐蚀介质；机组频繁启停使弯管产生周期性冷热温差，诱发热应力，高静压冲击区域易发生应力腐蚀开裂(SCC)。停机阶段管壁直接与大气接触，氧气持续参与管壁氧化反应，加速外壁腐蚀进程。

采用 Thermo FisherQuattro场发射扫描电镜(SEM)观测外壁腐蚀产物微观形貌，选取4处典型腐蚀区域开展点扫描(见图4)，并对氧化膜区域进行面扫描元素分布表征。外壁表面覆盖多层堆叠片状氧化腐蚀产物，4处测点 EDS定量元素结果如表1所示。

由图 4和表1可见：各测点主成分为Fe、O，证明外壁腐蚀产物以铁系氧化物为主；氧化层表层O元素占比更高，腐蚀由外壁表面向管壁基体逐层向内推进。选取典型片状氧化区域放大并开展面扫描，形貌与元素分布见图 6。

由图5和表2可见：O元素在氧化膜边缘富集，由表层向基体逐步递减；Fe元素分布均匀，局部因氧化产物聚集含量升高；微量 S、Cl均匀弥散分布，证明烟气酸性介质同步参与外壁腐蚀；V、Mo、Cr等耐蚀合金元素含量低，但存在区域氧化膜完整性更好，体现合金元素钝化防护作用。

沿管壁厚度方向由外壁至内壁连续测定维氏硬度，硬度变化规律如图6所示。管壁整体硬度偏低，最大值仅128. 12HV；由外壁向内壁硬度整体呈下降趋势，内壁表层因长期流体冲蚀发生塑性加工硬化，硬度小幅抬升。20G 钢无耐蚀、耐磨合金强化相，无防护工况下抵抗冲刷、电化学腐蚀能力薄弱，管壁易持续减薄失效。

(1) 冲刷腐蚀：汽水两相流高速冲击弯头外侧管壁，气液混合介质携带微小气泡、离散水滴持续撞击管壁，导致表面钝化氧化膜剥离，新鲜金属基体持续暴露于腐蚀介质，大幅加速电化学腐蚀进程。

(2) 流动加速腐蚀：该机组承担电网调峰负荷，启停操作频繁，低压汽包内部压力大幅周期性波动，低压蒸发器长期处于升温、带负荷、停机多类过渡工况，管内持续生成汽水两相流，为 FAC的发生创造了介质条件。流体流经 150°弯头时流道几何突变诱发强湍流，管内流体紊流强度显著提升，加剧管壁界面传质效应；基体铁元素与介质溶解氧持续发生阳极氧化反应，管壁原生钝化氧化膜不断溶解、剥离，新鲜金属基体持续暴露并重新生成薄层氧化膜。氧化膜溶解-脱落-再生循环往复，管壁金属持续溶解损耗，在流体冲刷耦合作用下，弯头内壁腐蚀减薄进一步加剧。

(1) 氧腐蚀：20G钢基体在烟气冷凝酸性电解质、停机大气富氧环境中形成宏观腐蚀电偶，Fe发生阳极氧化生成疏松铁氧化物，氧化膜无致密防护能力，腐蚀介质持续向基体渗透；沿海电厂大气湿度高，该腐蚀效应进一步放大。

(2) 应力腐蚀开裂：机组承担电网调峰职能,余热锅炉启停频次高，低压蒸发器上升管在启停循环下产生剧烈周期性温变，管壁温差诱发热膨胀形变差，导致弯头几何突变区域易萌生疲劳微裂纹。同时弯管外侧烟气冷凝形成含CO₂、H₂O酸性腐蚀介质，给管外壁创造了易诱发应力腐蚀开裂的服役环境，管壁外壁具备发生应力腐蚀开裂的必备条件。在循环热应力与氧化膜内应力协同作用下，外壁钝化膜局部开裂，裸露出新鲜金属基体；膜破损区域电位低于完整氧化膜区域，形成微观腐蚀电偶，破损处作为阳极优先发生金属溶解。若氧化再生成速率高于阳极溶解速率，裂纹区域会重新生成钝化膜，造成应力再次集中，引发氧化膜二次开裂。氧化膜开裂、基体阳极溶解、钝化膜再生的循环过程持续往复，腐蚀裂纹沿管壁纵深不断扩展，应力腐蚀损伤持续加剧。