某核電站生活飲用水系統(tǒng)管道腐蝕機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施研究

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

某核電站生活飲用水系統(tǒng)管道腐蝕機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施研究

陳 松

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

核電站生活飲用水系統(tǒng)(SEP)提供核島、常規(guī)島生活用水及BOP 室內(nèi)外生活用水及部分消防用水。根據(jù)歷年來工單統(tǒng)計(jì)，維修人員發(fā)現(xiàn)SEP系統(tǒng)多處發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，且呈逐年上升趨勢(shì)。本文對(duì)SEP系統(tǒng)管道腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查及腐蝕機(jī)理分析，再通過對(duì)各材料特性的分析，提出了合理的處理措施。

生活飲用水系統(tǒng) 腐蝕 措施

1 SEP系統(tǒng)簡介

SEP是生活飲用水系統(tǒng)，其功能是將生活水分配到核電站的各個(gè)廠房(部分系統(tǒng)還同時(shí)承擔(dān)廠房消防功能)，以滿足各廠房生活用水的要求。SEP系統(tǒng)配水管網(wǎng)從淡水廠出來有兩條管道，在廠區(qū)形成一個(gè)圍繞核島的主環(huán)路和幾個(gè)圍繞BOP廠房的輔助環(huán)路。SEP系統(tǒng)分布廣泛，在功能上與其相連的系統(tǒng)就有17個(gè)之多[1]。在不同廠房內(nèi)，與不同系統(tǒng)相連的SEP系統(tǒng)管道和閥門根據(jù)其功能和工況的不同而選用不同的材料，該核電站SEP系統(tǒng)管道材質(zhì)如表1所示：

2 SEP系統(tǒng)腐蝕現(xiàn)狀

該核電站第一臺(tái)機(jī)組2002年商運(yùn)，自從2004年以來，SEP飲用水管線不斷出現(xiàn)穿孔事件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年8月15日，涉及SEP管線穿孔維修的歷史工單共約443項(xiàng)，逐年呈增加趨勢(shì)，給維修工作增加了繁重負(fù)擔(dān)。穿孔管線主要分布在PX泵房、MX廠房、GB溝、LX廠房和YA廠房，如圖1、圖2所示。

表1 SEP系統(tǒng)管道材料一覽表

圖1 歷年SEP管線穿孔事件統(tǒng)計(jì)（2013年數(shù)據(jù)截至8月15日）

圖2 SEP系統(tǒng)管道穿孔缺陷廠房分布統(tǒng)計(jì)

3 SEP系統(tǒng)腐蝕機(jī)理分析

3.1 基本原因分析

對(duì)SEP系統(tǒng)管道腐蝕穿孔的直接原因分析是通過選定試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的腐蝕宏觀分析完成，通過腐蝕宏觀分析發(fā)現(xiàn)，蝕穿部位均發(fā)生在管結(jié)瘤下面，基本確定了造成SEP系統(tǒng)腐蝕穿孔的直接原因是管線內(nèi)壁厚度不均的管結(jié)瘤腐蝕造成的，再根據(jù)管結(jié)瘤的微觀分析，得出SEP系統(tǒng)管道腐蝕的根本原因。

3.2 SEP管道腐蝕情況宏觀分析

對(duì)管線進(jìn)行橫向切割，并從露出的管口向內(nèi)看，可以發(fā)現(xiàn)：管線內(nèi)壁被厚度不均的腐蝕產(chǎn)物包裹著，局部的腐蝕產(chǎn)物形成“腐蝕瘤”，如下圖3：

圖3 切割下的舊SEP管道

該類腐蝕瘤嚴(yán)重堵塞著水體的流動(dòng)，局部地方甚至可以堵塞將近2/5的管道直徑；對(duì)管線進(jìn)行縱剖，劈開管線后可以發(fā)現(xiàn)，管線內(nèi)壁普遍附著一層橘黃色腐蝕產(chǎn)物垢，平均厚度在1.0mm左右(不計(jì)算突起部分的厚度)，在這些腐蝕產(chǎn)物上分布著大小不一的管結(jié)瘤，一些管結(jié)瘤體積很大，有的管結(jié)瘤長度可達(dá)100mm(指管結(jié)瘤所覆蓋的長度)，高度可達(dá)20~25mm，這些大的管結(jié)瘤并無規(guī)律的分布在管道內(nèi)壁上；小的管結(jié)瘤尺寸則只有幾個(gè)毫米，但數(shù)量眾多，且分布相對(duì)均勻。挖開大的管結(jié)瘤后，可以發(fā)現(xiàn)部分管結(jié)瘤下的管線內(nèi)壁向內(nèi)凹陷，形成一個(gè)凹坑，但凹坑的深度有所不同。在一些腐蝕部位的弧底可以發(fā)現(xiàn)管線的穿孔，這是由于腐蝕造成的。進(jìn)一步觀察管結(jié)瘤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)單個(gè)管結(jié)瘤多呈層狀分布：最外層橘黃色外殼較硬，干燥后用鐵器稍微用力敲打并不會(huì)破壞它的結(jié)構(gòu)；在外殼內(nèi)部存在一層或多層黑色物質(zhì)，并且黑色層與黃色層呈交替的層疊分布；有時(shí)黑色層也會(huì)消失，完全由多個(gè)黃色腐蝕產(chǎn)物層疊在一起，這些黃色產(chǎn)物相對(duì)疏松，內(nèi)部存在許多細(xì)小的孔隙，如圖4；在這種層疊結(jié)構(gòu)下面，即管結(jié)瘤中心部位是更加疏松、雜散的橘黃色腐蝕產(chǎn)物。有時(shí)，多個(gè)管結(jié)瘤摞在一起，形成更大的管結(jié)瘤，其中上層管結(jié)瘤的充液腔和下層管結(jié)瘤的外殼或次外殼相連，而它們本身又可以形成相對(duì)完整的管結(jié)瘤多層結(jié)構(gòu)。

圖4 取下的管結(jié)瘤

3.3 SEP管道腐蝕情況微觀分析

用X射線衍射法對(duì)非管結(jié)瘤和管結(jié)瘤處的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析，分析結(jié)果表明非穿孔處的腐蝕產(chǎn)物主要是黃褐色的FeOOH，還包含少量Fe的碳化物(FeCO3)、Fe3C以及含有Cu和Si的水合化合物，這是由于該處的腐蝕產(chǎn)物層靠近水介質(zhì)，因此存在C、Cu、Si等外來元素。這些元素可能是水中含有的Cu2+和Si4+離子的沉降產(chǎn)物以及20#鋼管壁腐蝕后自身脫落下來的物質(zhì)(Fe3C)；在管結(jié)瘤的最外層（即管結(jié)瘤外殼）為FeOOH，它是腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2與氧反應(yīng)后生成的Fe(OH)3的脫水產(chǎn)物[2]；其下為黑色的Fe3O4，此為Fe(OH)3和Fe(OH)2的反應(yīng)產(chǎn)物；在管結(jié)瘤的核心應(yīng)為Fe(OH)2。而X射線分析的結(jié)果是FeOOH和少量的Fe3O4，這是由于Fe(OH)2經(jīng)過一段時(shí)間后與氧和水反應(yīng)生成了FeOOH。

從上述綜合分析看，管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物中Fe和O元素的含量較高，說明管結(jié)瘤是Fe的氧腐蝕造成的。

3.4 分析結(jié)論

根據(jù)以上的分析，造成SEP管線腐蝕穿孔的原因可以歸納為，碳鋼材料本身的固有的局部均勻腐蝕是造成SEP管線腐蝕穿孔的最根本的原因。在管線內(nèi)壁的局部均勻腐蝕處形成了眾多大小不一、分布無規(guī)律的“管結(jié)瘤”，在管結(jié)瘤內(nèi)外存在氧的濃度差異：管結(jié)瘤內(nèi)氧的濃度低，形成腐蝕陽極；管結(jié)瘤外氧的濃度高，形成腐蝕陰極。而管線內(nèi)的飲用水通過平緩的連續(xù)流動(dòng)，不斷輸送相對(duì)充足的氧分子，使得管結(jié)瘤內(nèi)外的“氧濃差”能夠得到持續(xù)保持，其結(jié)果導(dǎo)致管結(jié)瘤內(nèi)的金屬基體遭受了持續(xù)的氧濃差腐蝕，直至管線腐蝕穿孔。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 更換工作總體分析

針對(duì)SEP系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)腐蝕穿孔，導(dǎo)致漏水的缺陷，維修與技術(shù)領(lǐng)域人員組織開展了大量的前期調(diào)研工作，結(jié)合該核電站此系統(tǒng)的應(yīng)用情況，分析了各類材料的更換方案，由于SEP系統(tǒng)為電站早期投用的，其很多末端供應(yīng)各類泵的軸封水及風(fēng)機(jī)的冷卻水，在機(jī)組運(yùn)行期間無法隔離，由于目前2代核電機(jī)組技術(shù)是采用雙堆設(shè)計(jì)、雙堆建造的，乃至單臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí)也很難做出隔離措施來進(jìn)行更換，即使做出隔離，其隔離窗口往往由于大修窗口的影響，隔離時(shí)間較短，而管道更換又是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的工作，更換工期往往不足，隔離工期嚴(yán)重限制了材料的選擇及更換方式。

4.2 材料選用可行性分析

針對(duì)SEP系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)生的原因，在保證該系統(tǒng)可用的情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施性、大修工期等因素，專項(xiàng)工作組根據(jù)管道選材及安裝可行性進(jìn)行了如下分析：

鍍鋅鋼管：鍍鋅鋼管由于其有鍍鋅層，可以阻止相關(guān)腐蝕介質(zhì)與碳鋼直接接觸，從而保證鋼管的可用性，但是隨著水流的沖刷，一旦鍍鋅層被破壞，其腐蝕速度會(huì)大大加快，在目前的建筑設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，鍍鋅鋼管已被國家禁止使用在生活飲用水中，鍍鋅管焊接會(huì)破壞鍍鋅層，若使用預(yù)制完畢的法蘭連接，而現(xiàn)場(chǎng)由于SEP管道均為前期安裝，后期更換已無足夠的空間實(shí)施，且修改為法蘭連接，各類支架得重新設(shè)計(jì)、布置，再加之大修期間工期短，進(jìn)而導(dǎo)致施工困難；若使用絲扣連接，大管徑的情況下，使用絲扣連接往往表現(xiàn)出不可靠。綜上，筆者不推薦使用該材料。

鑄鐵管：內(nèi)襯水泥的鑄鐵管被廣泛應(yīng)用于各電廠飲用水管線中，但基本上都是埋地管道。從該廠及大亞灣20多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，未發(fā)生鑄鐵管從內(nèi)向外的腐蝕穿孔事件，但發(fā)生過從外向內(nèi)的腐蝕穿孔事件[3]。但由于鑄鐵管不易焊接，限制了它的使用范圍。選用鑄鐵埋地管時(shí)，應(yīng)做好外防腐施工，并加強(qiáng)管道的定期檢查。因此廠區(qū)埋地管應(yīng)采取該類方式更換。

不銹鋼管：有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為，不銹鋼管具有機(jī)械強(qiáng)度高、堅(jiān)固、韌性好、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低、安裝維護(hù)方便、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，適用于建筑給水特別是管道直飲水及熱水系統(tǒng)[4]。對(duì)于該核電廠，不銹鋼管材并不能長期服役于飲用水環(huán)境中。因?yàn)樵诼入x子和微生物聯(lián)合作用下，不銹鋼將加速點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)，特別是焊縫區(qū)域點(diǎn)蝕。如果使用薄壁不銹鋼管，發(fā)生穿孔的時(shí)間將進(jìn)一步縮短。如果改為不銹鋼后上游管線不實(shí)施改造或更換，依然沿用原來的碳鋼管，上游腐蝕產(chǎn)物下流后將進(jìn)一步加速不銹鋼點(diǎn)蝕穿孔的進(jìn)程?？傊?，使用不銹鋼管的改造方案，不但費(fèi)用昂貴，而且增加點(diǎn)蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)。

鋼塑復(fù)合管：鋼塑復(fù)合管是在鋼管內(nèi)壁襯(涂)一定厚度的塑料層復(fù)合而成，依據(jù)復(fù)合管基材的不同，可分為襯塑復(fù)合管和涂塑復(fù)合管兩種。襯塑鋼管是在傳統(tǒng)的輸水鋼管內(nèi)插入一根薄壁的PVC管，使兩者緊密結(jié)合，制成PVC襯塑鋼管；涂塑鋼管是以普通碳鋼管為基材，將高分子PE粉末熔融后均勻的涂敷在鋼管內(nèi)壁，經(jīng)塑化后，形成光滑、致密的塑料涂層。但內(nèi)壁涂塑受管徑限制，一般外徑＜50mm的管子，如果長度超過2m后，表面處理質(zhì)量難以達(dá)標(biāo)。鋼塑復(fù)合管兼?zhèn)淞私饘俟懿膹?qiáng)度高、耐高壓、能承受較強(qiáng)的外來沖擊力和塑料管材的耐腐蝕性、不結(jié)垢、熱導(dǎo)率低、流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)。鋼塑復(fù)合管可采用溝槽、法蘭或螺紋連接的方式[5]。目前，新建機(jī)組中已經(jīng)廣泛使用鋼塑復(fù)合管，如秦山二期擴(kuò)建、寧德、紅沿河、臺(tái)山、陽江等核電廠。但涂塑鋼管如果涂塑工藝和質(zhì)量控制不當(dāng)，可能存在涂塑層脫落的風(fēng)險(xiǎn)；襯塑鋼管在襯塑直管與管口法蘭之間要形成熔融連接，可能存在質(zhì)量隱患和使用問題；涂塑鋼管只能靠法蘭或者卡箍連接，若采用卡箍連接，廠房在運(yùn)期間存在較大振動(dòng)，使用卡箍連接容易造成連接處松脫，導(dǎo)致密封失效；若采用法蘭連接，則由于現(xiàn)有管道布置較為緊密，更換空間較小，現(xiàn)場(chǎng)無法尋找足夠空間及時(shí)間窗口進(jìn)行更換，因此筆者不建議使用此種管材。

塑料管：無論是聚乙烯(PE)管、無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)管，都具有重量輕、韌性好、耐腐蝕、可盤繞、耐低溫性能好、運(yùn)輸及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可采用電熔、熱熔、橡膠圈柔性連接，工程上主要采用熔接，在建筑給水中得到廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)壽命可高達(dá)50年[6]，但是由于塑料管不具備防火功能，也不具備抗外壓功能，根據(jù)核電站中偏保守的原則，筆者仍不建議使用此種管材。

碳鋼管：該管道為目前已建核電站中使用最廣泛的一種材料，其材料易得，施工方便，一般采取焊接的形式連接，雖然目前碳鋼管多次出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，主要是由于使用年限已久(約15年)，但得益于該管道更換安裝較為容易，可以通過改善水廠水質(zhì)，定期更換的方式來改善該系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。筆者建議對(duì)大管徑、小空間管道采取原材料，增加壁厚的方式更換，以增加其使用壽命，這是電廠目前既能滿足功能要求，又能滿足檢修工期的最經(jīng)濟(jì)方式。

5 效果檢查

根據(jù)以上分析，最終確定以原材質(zhì)更換為原則，通過增加管道壁厚的方法，分別對(duì)電氣廠房、常規(guī)島廠房、PX聯(lián)合泵房內(nèi)的SEP管道逐段實(shí)施了更換，且優(yōu)化了淡水廠水質(zhì)，根據(jù)目前壁厚監(jiān)測(cè)情況，現(xiàn)管道壁厚減薄現(xiàn)象不明顯，因此，在優(yōu)化水質(zhì)的前提下，實(shí)施逐年壁厚監(jiān)測(cè)，最后根據(jù)碳鋼壽期進(jìn)行定期更換，可較好的控制工期，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 侯英東. 秦山第二核電廠系統(tǒng)手冊(cè)（SEP系統(tǒng)）[M]. 浙江: 內(nèi)部資料, 2006年: 5-6.

[2] 曾榮昌, 韓恩厚等. 材料的腐蝕與防護(hù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006年5月: 10-11.

[3] 大亞灣SEP系統(tǒng)防腐選材導(dǎo)則（鑄鐵管）.

[4] 孫勇. 建筑給水排水工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010年: 58-59.

[5] 李毅, 張強(qiáng), 羅宗軍等. GB/T 5135.20-2010, 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)第20部分涂覆鋼管[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[6] 孫遜, 謝建玲, 馮新書等. GB13663-2000, 給水用聚乙烯管材規(guī)范[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2000.

Study of Nuclear Power Plant Corrosionof Drinking Water System Piping Mechanism and Countermeasures

CHEN Song
(China National Nuclear Power Co. , Ltd. , Jiaxing 314300, China)

Drinking water system in nuclear power plant (SEP)provides the nuclear and conventional islands, living water and BOP indoor and outdoor living water and fi rewater. Based on many years work order statistics, repairpersonnel found SEP system more found corrosionphenomenon, and a rising trend year by year. In this paper, SEP system piping corrosion phenomena on-site inspection and analysis of the corrosion mechanism, through the analysis of the material characteristics, put forward thereasonable treatment measures.

drinking water system; corrosion; measures

TG174

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1008-7818(2014)03-0057-04

1008-7818(2014)03-0057-04

陳松 (1985－) , 男，四川眉山人，工程師，工程碩士，主要研究方向：核電站堆芯設(shè)備、安全廠用水、生活飲用水系統(tǒng)維修管理。