核電廠開式工業(yè)水系統(tǒng)埋地碳鋼管道腐蝕行為研究

吳昉赟 王 聰 張彥召 劉洪群 周 澄

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

0 引言

秦山一廠30萬機組開式工業(yè)水系統(tǒng)已經(jīng)使用了近三十年，主要為工業(yè)水泵、凝升泵和海升泵等各種水泵的密封填料和一般設(shè)備的冷卻器提供冷卻水，其包含的管道詳細(xì)信息如表1所示。近年來，秦山一廠30萬機組多次出現(xiàn)一回路海水泵冷卻水管、凝升泵冷卻水管堵塞現(xiàn)象，造成水泵軸承冷卻水流量下降甚至斷失，導(dǎo)致水泵可靠性下降，甚至系統(tǒng)降級，威脅電站運行安全。開式工業(yè)水系統(tǒng)的介質(zhì)為經(jīng)過凈水廠處理的澄清水，其各項指標(biāo)均符合工業(yè)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，懸浮物數(shù)量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，這種情況表明，末端管線發(fā)生堵塞現(xiàn)象的主要原因并不是源水水質(zhì)，而是碳鋼管道內(nèi)表面產(chǎn)生的腐蝕和沉積產(chǎn)物。為系統(tǒng)分析和解決開式工業(yè)水管道的腐蝕問題，有必要明確系統(tǒng)中碳鋼管道的腐蝕情況。

表1 開式工業(yè)水系統(tǒng)管道信息

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 管道宏觀形貌觀察

碳鋼管道的宏觀形貌如圖1所示，可以看出，其外壁未發(fā)生明顯的腐蝕，防腐涂層完好，部分涂層被打磨消除后，管道外表面呈均勻腐蝕形貌；管口附近的管道內(nèi)表面存在約25mm厚的積垢，管道內(nèi)堅硬的管結(jié)瘤清理后，基體表面存在2～3mm的凹坑。

圖1 開式工業(yè)水系統(tǒng)碳鋼管道表面狀態(tài)

1.2 垢物分析

對碳鋼管道內(nèi)垢物取樣并進(jìn)行X射線衍射分析（XRD），結(jié)果如圖2所示，由分析結(jié)果可知，碳鋼管道內(nèi)垢物的主要成分是鐵的氧化物和少量泥砂，晶體結(jié)構(gòu)為Fe3O4和FeO（OH）。

圖2 碳鋼管道垢物XRD分析結(jié)果

1.3 管道壁厚測量

將管道沿周向和軸向分別劃出如圖3所示的網(wǎng)格線，對各網(wǎng)格線交點位置利用GE-DM5E型超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測量。軸向每條線共測量14點，從法蘭外側(cè)依次為1～14。周向14等分，由進(jìn)口向出口方向觀察，依次為A、B、C…M、N，總計測量196個點，測量結(jié)果如表2所示。

表2 壁厚測量結(jié)果（單位：mm）

圖3 超聲測厚測量點分布示意圖

表2可得，管道分布有多處減薄部位，深淺不一，最小壁厚為3.24mm，最大壁厚為10.28mm。以10.28mm作為初始壁厚，則管道的減薄情況如表3所示。

表2 國外管材氣體爆破試驗數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計

表3 管道減薄情況統(tǒng)計表

2 管道剩余壽命計算

根據(jù)NB/T 20193-2012《核電廠常規(guī)島汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)范》，管道最小壁厚按公式（1）計算：

其中：

Sm為最小壁厚，單位為mm；

p為設(shè)計壓力，單位為MPa；

D0為管道外徑，單位為mm；

[σ]t為材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，單位為MPa；

η 為許用應(yīng)力修正參數(shù)，對于無縫鋼管η=1.0；

Y為溫度修正系數(shù)，取0.4；

C為考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，單位為mm，本次計算取0。

溫度為20℃時，20#鋼的許用應(yīng)力[σ]t為131MPa，工業(yè)水管道壓力p為0.96MPa，管道外徑D0為325mm，將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）中，得出最小壁厚Sm=1.19mm。

管道局部最大減薄速率W可按公式（2）計算：

其中：

W為局部最大減薄速率，單位為mm/a；

t0為原始壁厚，單位為mm；

tf為局部穿孔后的最小壁厚，單位為mm；

T為時間間隔，單位為年。

碳鋼管道的公稱壁厚為8mm，在制造過程中存在一定的制造偏差。根據(jù)表4中的壁厚測量結(jié)果，最小壁厚tf為3.24mm，原始壁厚t0取最大壁厚測量值10.28mm，秦山一廠30萬機組從1991年12月并網(wǎng)，截止壁厚測量時已運行T=27年，帶入式（2）中可得W=0.26mm/a。文獻(xiàn)[3]指出，自來水管道的均勻腐蝕速率為0.1mm/a，局部穿孔最大腐蝕速率為0.3mm/a，與實測數(shù)據(jù)基本一致。

參照以上結(jié)果，送檢管道的剩余壽命約為（3.24-1.19）/0.26≈8年。如果采用合適的防腐工藝并清理管道內(nèi)壁的管結(jié)瘤，則秦山一廠30萬機組開式工業(yè)水系統(tǒng)碳鋼管道按均勻腐蝕計，壽命約為（8～1.19）/0.1=68.1年，管道剩余壽命約40年。

3 結(jié)語

秦一廠開式工業(yè)水系統(tǒng)碳鋼管道埋地30余年后外壁防腐涂層仍舊完好，未發(fā)生明顯的腐蝕。管道內(nèi)壁為管結(jié)瘤腐蝕導(dǎo)致的局部腐蝕減薄，管道整體腐蝕壽命滿足機組運行要求。