核電廠除磷藥箱腐蝕穿孔原因分析及解決措施

周 澄 吳昉赟 蔣益豐 劉洪群

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，江蘇 海鹽 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 概述

核電廠污水處理系統(tǒng)的功能是對(duì)廠區(qū)的生活污水、辦公排水、餐廳廢水、日常洗滌廢水等進(jìn)行深化處理，達(dá)到環(huán)保排放要求。該系統(tǒng)工藝復(fù)雜，設(shè)備眾多，廢水深化處理過程中，會(huì)涉及到混凝劑、消毒劑等化學(xué)藥品，一旦涉及這些藥品的設(shè)備或管道出現(xiàn)問題，可能引起人身安全，同時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，進(jìn)而影響核電廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

某核電廠污水處理系統(tǒng)在運(yùn)行7年以后，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1#除磷藥箱底部腐蝕穿孔，箱體底部已腐蝕穿孔，穿孔附近基地已經(jīng)腐蝕減薄至紙片狀，如圖1所示，已無法進(jìn)行貼板補(bǔ)焊修復(fù)，不得不更換新備件。

除磷藥箱的工作過程是將固體聚合氯化鋁[PAC，Alm（OH）n（H2O）x]直接加入藥箱后，加水進(jìn)行攪拌。加藥箱體為碳鋼，內(nèi)壁涂裝環(huán)氧煤瀝青漆進(jìn)行防腐，除磷藥箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 除磷藥箱腐蝕穿孔

圖2 除磷藥箱結(jié)構(gòu)圖

本文就除磷藥箱腐蝕穿孔原因進(jìn)行了分析，對(duì)新建、在建核電廠除磷藥箱內(nèi)壁涂層設(shè)計(jì)、施工給出了建議。

1 除磷藥箱腐蝕穿孔原因分析

除磷藥箱內(nèi)壁腐蝕穿孔的原因在于兩個(gè)方面，第一方面是內(nèi)壁防腐涂層發(fā)生了失效，涂層失去對(duì)藥箱基體的保護(hù)作用，第二方面是除磷藥箱內(nèi)部介質(zhì)對(duì)藥箱基體產(chǎn)生了腐蝕。

1.1 防腐涂層分析

在防腐設(shè)計(jì)中，防腐涂層的防腐效果和涂層的選用、設(shè)計(jì)厚度、工況均有很大關(guān)系。化學(xué)藥品儲(chǔ)罐內(nèi)壁涂層如果設(shè)計(jì)不合理，很容易出現(xiàn)腐蝕穿孔[1]。除磷藥箱內(nèi)部介質(zhì)為聚合氯化鋁溶液，根據(jù)GB/T 30790-2014《色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》，除磷藥箱內(nèi)部環(huán)境等級(jí)為Im2級(jí)，對(duì)腐蝕具有促進(jìn)作用，如表1所示。

除磷藥箱所用的涂層為環(huán)氧煤瀝青漆涂料，屬于環(huán)氧類涂料，與GB/T 30790-2014中推薦的涂料類型一致。預(yù)期耐久性為中等（M），使用壽命為5～15年，除磷藥箱實(shí)際已經(jīng)使用7年以上，達(dá)到或接近涂層使用壽命。

涂料在達(dá)到其使用壽命以后會(huì)出現(xiàn)開裂、鼓泡、破損、脫落等現(xiàn)象，失去對(duì)基體的保護(hù)作用，箱體內(nèi)部介質(zhì)直接與基體接觸，導(dǎo)致發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：Fe=Fe2++2e

陰極反應(yīng)：O2+2H2O=4OH-

表1 GB/T 30790-2014中環(huán)境等級(jí)

1.2 介質(zhì)分析

聚合氯化鋁（PAC）是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種無機(jī)高分子混凝劑[2]，是目前應(yīng)用最廣、銷售量最大的無機(jī)混凝劑和水處理劑。以PAC為代表的無機(jī)高分子混凝劑在價(jià)格上遠(yuǎn)低于有機(jī)高分子絮凝劑，而且易存儲(chǔ)，制備條件也沒有有機(jī)高分子苛刻。與傳統(tǒng)的無機(jī)低分子鋁鹽相比，PAC由于含有更多的高電荷，因而具有更強(qiáng)的電中、能力和強(qiáng)烈的吸附能力，投加到水中后表現(xiàn)出優(yōu)異的混凝效果。PAC具有對(duì)出水pH影響小、用量少、產(chǎn)生污泥少、除濁高等優(yōu)點(diǎn)，目前中國約60%的水處理廠采用PAC進(jìn)行混凝處理。

通過查閱相關(guān)資料可知，聚合氯化鋁溶于溶液后，基本呈中性，其對(duì)金屬基材的腐蝕主要基于提高了溶液中的離子濃度，增加了電導(dǎo)率。

1.3 工況及腐蝕機(jī)理分析

除磷藥箱的工藝為加入固態(tài)聚合氯化鋁攪拌溶解，內(nèi)部介質(zhì)為固液兩相，固相隨著攪拌裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)涂層產(chǎn)生磨損作用，從而加速涂層的老化，如圖3所示。

圖3 藥箱攪拌裝置

涂層出現(xiàn)破損以后，流動(dòng)介質(zhì)與基體直接接觸，會(huì)大大加速基體的腐蝕[3]。腐蝕過程一般是氧擴(kuò)散控制體系，隨著攪拌的進(jìn)行，會(huì)提高氧向材料表面的傳輸速度以及腐蝕產(chǎn)物向溶液本體的傳輸速度，從而加快腐蝕速率[4]。

除了因加速氧的傳輸而增大腐蝕速率的作用外，流體力學(xué)因素對(duì)流動(dòng)腐蝕將同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，尤其介質(zhì)中含有固體相時(shí)，腐蝕速率將進(jìn)一步提高[5]。流體的電化學(xué)因素和流體力學(xué)因素間交互作用會(huì)引起協(xié)同效應(yīng)。腐蝕質(zhì)量損失分為三個(gè)部分，強(qiáng)調(diào)協(xié)同效應(yīng)的存在，即：

Wt =We +Wc +Wec

其中，Wt為總質(zhì)量損失；We為純磨耗質(zhì)量損失；Wc為純腐蝕質(zhì)量損失；Wec為協(xié)同效應(yīng)質(zhì)量損失。

在除磷藥箱的攪拌過程中，含有固體顆粒，固體顆粒首先破壞表面涂層，然后對(duì)基體產(chǎn)生磨耗，通過電化學(xué)腐蝕與磨耗之間的協(xié)同效應(yīng)加速箱體基體的腐蝕，最終導(dǎo)致腐蝕穿孔。

2 解決措施及建議

2.1 涂層設(shè)計(jì)選型

國內(nèi)壓水堆核電站與液體介質(zhì)接觸的設(shè)備設(shè)施和土建結(jié)構(gòu)用涂層體系，要求應(yīng)具有10年以上的使用壽命。

在滿足GB/T 30790-2014的要求的前提下，可選用更加耐磨的涂料，同時(shí)定期對(duì)箱體進(jìn)行預(yù)防性檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行修復(fù)處理。

2.2 襯里或高分子材料選型

根據(jù)其他核電廠的經(jīng)驗(yàn)反饋，除磷藥箱內(nèi)部防腐措施可選用碳鋼塑料/橡膠襯里或者純聚乙烯（PE）材料。

塑料（含PE）或橡膠具有優(yōu)良的耐酸堿鹽性質(zhì)，聚合氯化鋁溶液不會(huì)和塑料或橡膠發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)破壞塑料或橡膠材料。

塑料或橡膠材料具有良好的耐磨性能，耐磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于涂層。塑料或橡膠相對(duì)于涂層來說具有更好的彈性和柔韌性，不易受到固體顆粒的沖擊而破壞。

塑料或橡膠材料的厚度可達(dá)2～5mm，而涂層厚度一般不超過1mm，厚度也遠(yuǎn)大于涂層，使用壽命較長。

3 結(jié)束語

污水處理系統(tǒng)作為核電廠的污水深化處理裝備，直接影響核電廠的環(huán)保指標(biāo)，因此該系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定性應(yīng)得到重視，尤其化學(xué)介質(zhì)相關(guān)設(shè)備的腐蝕設(shè)計(jì)、施工、防腐管理，避免因腐蝕原因?qū)е碌陌踩录l(fā)生。