核電站重要廠用水系統(tǒng)常見腐蝕行為分析及治理建議

楊宏歡，高 超，蒲晶菁，廖雪波，潘姚凡

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.寧德核電有限公司，福建 寧德 352000)

0 前 言

核電站重要廠用水系統(tǒng)為核安全相關(guān)系統(tǒng)，用于電站正常運行和事故工況下與設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換，將與安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的熱量輸送到最終熱阱(海水)中[1]，對核電站安全穩(wěn)定運行具有重要作用，包括水泵、管道、閥門、生物捕集器、格柵及熱交換器，內(nèi)部介質(zhì)為開放型海水。濱海核電站利用海水作為冷源的優(yōu)點是持續(xù)可用且比熱容大，水溫隨環(huán)境變化小，但是海水中含有Ca2＋、Mg2＋、Cl－等離子，個別電站Cl－含量達到19.4 g/L，導(dǎo)電率高，腐蝕性強。同時，核電站在海水入口處添加次氯酸鈉等殺菌劑來抑制海生物生長，次氯酸鈉具有強氧化性，增加了海水的腐蝕性[2]。海水流速、內(nèi)部固體顆粒如泥沙等也會對廠用水系統(tǒng)設(shè)備、管道產(chǎn)生沖刷腐蝕[3]?；谶\行介質(zhì)的腐蝕性，系統(tǒng)在設(shè)計之初即考慮了部件的選材及腐蝕防護措施，法蘭、濾網(wǎng)、閥桿、閥軸等內(nèi)部過流部件采用不銹鋼等更耐蝕材質(zhì)，管道等碳鋼部件則設(shè)計了防腐涂層、陰極保護、襯膠、襯塑等防護措施，一定程度上減少了腐蝕事件的發(fā)生。但是在核電站運行過程中設(shè)備防護層破損、金屬基體腐蝕事件時有發(fā)生[4－7]。一旦腐蝕事件加劇，出現(xiàn)防腐層大面積失效、管道腐蝕穿孔等現(xiàn)象，將直接影響系統(tǒng)的完整性和可用性，威脅電站運行安全。因此，有必要對核電站重要廠用水系統(tǒng)的腐蝕問題進行匯總與深入分析，找出共性點和特例，并針對性改進，以便從根本上避免腐蝕問題的發(fā)生。本工作從防腐層和不銹鋼部件2 個典型維度對核電站海水管路系統(tǒng)的腐蝕失效進行分析，討論腐蝕失效發(fā)生的原因，并提出治理建議，為重要廠用水系統(tǒng)的腐蝕管理提供有效支持。

1 海水管路系統(tǒng)防腐層失效行為分析

重要廠用水系統(tǒng)碳鋼部件內(nèi)壁設(shè)計有2 類防護層:防腐涂層和襯膠。在核電站運行過程中，涂層的常見失效行為有鼓泡和破損；襯膠的常見失效行為有鼓泡和減薄破損等。

涂層能夠不同程度地阻緩腐蝕介質(zhì)如水、氧和離子的透過，進而保護被涂物體不受腐蝕[8]。重要廠用水系統(tǒng)主管道材質(zhì)為碳鋼和合金鋼，不耐海水腐蝕，設(shè)計采用厚度800 μm 環(huán)氧涂料，同時使用外加電流或犧牲陽極陰極保護進行附加防護，涂層常見失效形式為鼓泡和破損，鼓泡隨機出現(xiàn)于管道內(nèi)壁，主要發(fā)生于基體處理不徹底或涂層涂裝薄弱區(qū)域；破損則常見于法蘭邊緣涂層收口處及大面積鼓泡處。橡膠襯里因其良好的抗?jié)B透、耐沖擊韌性、耐磨性、結(jié)合強度高等性能，在重要廠用水系統(tǒng)的彎管、變徑管、豎管中的內(nèi)壁等不便維修部位使用。但是由于橡膠具有施工要求高、容易老化、不耐劃傷、不易維護維修等特點，在核電站實際使用過程中發(fā)生多起失效行為，包括鼓泡、脫落、減薄、破損等缺陷[8，9]。由于結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致施工質(zhì)量不高，負壓、受力等原因?qū)е乱r膠鼓泡主要發(fā)生于變徑、彎管、搭接、管端位置；脫落主要原因為機械安裝損傷，常見于法蘭位置等機械受力部位，減薄和破損主要原因為正常服役老化，在水流沖刷下減薄甚至破損，多發(fā)于服役15～20 a 之間的襯膠。

2 不銹鋼部件失效行為

重要海水管路系統(tǒng)部件使用的不銹鋼牌號主要有316L、904L、17-4PH、SAF2507、Zeron25 等，常見腐蝕問題發(fā)生于前3 類不銹鋼部件，后兩類雙相不銹鋼部件未見腐蝕反饋。雖然每個與海水接觸的部件在設(shè)計之初已考慮更耐蝕的不銹鋼材料，但在電站運行階段，依然存在各種腐蝕問題，主要腐蝕類型包括縫隙腐蝕、點蝕、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕。

在系統(tǒng)設(shè)計時部件與部件之間常使用法蘭裝配，存在較多接觸面，如316L 不銹鋼法蘭與襯膠支管接觸部位、904L 不銹鋼濾網(wǎng)與襯膠接觸部位。在軟、硬材質(zhì)接觸部位容易形成細小縫隙，當達到縫隙腐蝕條件后不銹鋼容易發(fā)生縫隙腐蝕和電偶腐蝕，典型失效為縫隙腐蝕。不銹鋼在含有鹵素離子介質(zhì)中點蝕敏感性高，當不銹鋼部件使用于海水環(huán)境時，常發(fā)現(xiàn)點蝕坑的腐蝕失效情況，如316L 不銹鋼取樣管、17-4PH 閥桿、316L 法蘭等部件，典型失效為點蝕。17-4PH 不銹鋼閥桿出廠前的熱處理工藝控制不當時容易發(fā)生晶界貧鉻現(xiàn)象，易發(fā)生晶間腐蝕，進而影響部件的耐蝕性和力學(xué)性能，典型失效為晶間腐蝕。

3 腐蝕原因分析

3.1 防護層失效

涂層失效常見原因為涂裝施工問題，在涂裝不均勻處海水容易通過固化涂層網(wǎng)絡(luò)間的自由體積空穴和微觀上涂膜成膜過程中的小孔穿行[10]，到達涂層/金屬界面，穿入涂層的水分與基體表面可溶性雜質(zhì)作用形成濃溶液，此時涂層內(nèi)部滲透壓可高達2 500 ～30 000 kPa[11]，從而在涂層內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓差，水分、氧、離子不斷經(jīng)涂膜滲入涂層/金屬界面，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。Fe2＋與OH－反應(yīng)生成Fe(OH)2，隨著反應(yīng)進行，溶液中溶解更多的離子，滲透壓增大，氧含量隨水分不斷滲入而增加，F(xiàn)e(OH)2被氧化成含水的Fe(OH)3，為紅棕色沉淀。水分及腐蝕產(chǎn)物體積發(fā)生膨脹的力大于涂層抗變形的阻力，致使涂層鼓泡失效。同時，隨著聚集水的增多，壓力增大，會對涂膜和金屬的粘結(jié)區(qū)域施加一個剝離力，使局部積聚水的區(qū)域向側(cè)面擴張，引起更多的界面失去粘結(jié)[8]。涂層鼓泡后導(dǎo)致性能下降，在水流高流速沖擊下易發(fā)生破損。在個別電站出現(xiàn)了陰極保護電流過大導(dǎo)致的析氫現(xiàn)象也是涂層鼓泡、破損的另一個原因。

襯膠失效的原因主要有2 類:一是施工質(zhì)量和安裝質(zhì)量不合格，在襯膠搭接縫部位如果施工不規(guī)范，如搭接過少、搭接工藝錯誤等容易發(fā)生襯膠失效情況。法蘭在安裝過程機械受力不均或者安裝時未按要求執(zhí)行，襯膠容易發(fā)生機械破損，在海水沖刷下導(dǎo)致失效[9]。二是襯膠自然老化為主因，疊加機械檢修、海水沖刷等輔助因素導(dǎo)致失效。根據(jù)運行經(jīng)驗表明襯膠在海水介質(zhì)中服役15～20 a 后開始出現(xiàn)明顯自然老化現(xiàn)象，力學(xué)性能下降明顯，缺陷逐漸增多，主要表現(xiàn)包括減薄、鼓泡、粉化、沖刷破損等[12，13]，若不及時更換容易發(fā)生破損失效。

3.2 不銹鋼部件失效

不銹鋼部件在海水中屬于耐蝕材料，但是由于材質(zhì)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)熱加工或冷加工工藝等原因常發(fā)生縫隙腐蝕、點蝕、晶間、應(yīng)力腐蝕等失效問題。材質(zhì)特點方面，不銹鋼屬于自鈍化金屬材料，點蝕和縫隙腐蝕敏感性高[14]，且奧氏體不銹鋼的耐點蝕當量較雙相不銹鋼或鐵素體不銹鋼低；結(jié)構(gòu)設(shè)計上，不銹鋼部件與襯膠結(jié)構(gòu)裝配處易產(chǎn)生縫隙，當縫隙滿足25 ～100 μm 的寬度且在縫隙位置同時存在海水滯留時，將發(fā)生縫隙腐蝕[15，16]；材質(zhì)加工工藝方面，熱處理時效工藝不當易導(dǎo)致鉻等原子從基體向晶界遷移形成晶界粗化現(xiàn)象，造成緊鄰晶界區(qū)域貧鉻，進而致使材料的塑韌性和耐腐蝕性能降低，導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生。

4 腐蝕治理建議

針對上述重要廠用水系統(tǒng)防護層及金屬部件的腐蝕失效形式，在充分分析失效原因的基礎(chǔ)上提出針對性治理建議，并結(jié)合目前重要廠用水系統(tǒng)腐蝕治理上的一些改進以及其他系統(tǒng)同類型設(shè)備上的腐蝕管理提升，提出腐蝕管理需求。

4.1 防腐涂層

涂層鼓泡和破損主要通過控制施工質(zhì)量和增加檢修頻次來治理。施工質(zhì)量主要取決于前處理質(zhì)量及施工過程管控，前處理階段的控制重點為粗糙度和清潔度，根據(jù)使用油漆配套推薦，表面粗糙度在50 ～75 μm之間為最佳。使用動力工具清理需達到St3 級，噴砂或拋丸達到Sa.2.5 級，同時需要保證基體可溶性鹽份含量低于25 mg/m2(采用Bresle 測試方法)[17]。施工過程需要重點控制油漆配比和漆膜厚度，油漆配比正確與否直接決定油漆性能，而漆膜厚度及涂刷均勻性將決定涂層的保護性。檢修頻次調(diào)整主要取決于歷次維修經(jīng)驗反饋、時間窗口及缺陷程度，涂層管道需要1C檢查1 次，并對缺陷進行處理，避免鼓泡發(fā)展成破損。確保施工人員技能是控制粗糙度、清潔度、油漆配比和漆膜厚度的基礎(chǔ)之一，建立核電油漆工評價體系，培訓(xùn)考核合格后持證上崗，同時對每個關(guān)鍵步驟設(shè)置質(zhì)量驗證點，保證涂裝質(zhì)量。

4.2 內(nèi) 襯

襯膠的失效治理主要從襯膠施工安裝、合理選擇檢查窗口、檢查部位和老化管理幾個方面開展工作。為了避免襯膠的破損和鼓泡問題，需要優(yōu)化檢查窗口和部位，在安裝后進行1 次檢查，積累原始數(shù)據(jù)，對彎頭、變徑、維修部位需要1C 或者2C 檢查1 次。在安裝施工或者服役初期出現(xiàn)問題時，需要從設(shè)備襯膠設(shè)計選材上開始介入審查，同時做好重要設(shè)備襯膠層的過程監(jiān)造、裝卸運輸和現(xiàn)場安裝各個階段的跟蹤和管理。襯膠老化管理需要從預(yù)防性檢查、整體評估、更換或翻新3 個階段開展工作。預(yù)防性檢查階段首先根據(jù)襯膠設(shè)備的失效后果、腐蝕介質(zhì)敏感2 個維度進行分級，再結(jié)合國內(nèi)外同類型電廠相關(guān)經(jīng)驗反饋確定預(yù)防性檢查周期?；谝陨戏旨壴瓌t，國內(nèi)電廠重要廠用水系統(tǒng)不同部件的檢查周期范圍一般為根據(jù)服役年限在2C ～4C 之間調(diào)整周期，預(yù)防性檢查時重點關(guān)注搭接邊、異形結(jié)構(gòu)、受力部件、受沖刷部位，并積累厚度、硬度數(shù)據(jù)，以便后續(xù)趨勢分析。整體評估階段屬于襯膠狀態(tài)評估，服役壽期中期(10～12 a)進行，開展詳細硬度、厚度檢測并進行破壞性抽樣測試，如粘結(jié)強度、抗拉強度、拉斷伸長率測試，再結(jié)合歷史缺陷趨勢，綜合得出襯膠狀態(tài)或剩余壽命。內(nèi)襯更換或翻新一般發(fā)生于襯膠服役末期(15～20 a)，根據(jù)評估階段的結(jié)果和缺陷發(fā)生的頻率，綜合考慮經(jīng)濟性，對襯膠老化部件進行更換或翻新。

4.3 不銹鋼部件

不銹鋼部件的腐蝕治理應(yīng)從幾種腐蝕機理方面著手，通過選材換型、結(jié)構(gòu)改進和材料檢驗來治理和預(yù)防腐蝕。電廠應(yīng)該針對重要廠用水系統(tǒng)開展防腐選材工作，梳理各部件設(shè)計選材，腐蝕風(fēng)險、腐蝕經(jīng)驗反饋信息，針對性改進材質(zhì)信息，對重要的支管、法蘭或者腐蝕嚴重部位可考慮使用雙相不銹鋼代替常規(guī)奧氏體不銹鋼等，通過選用耐點蝕當量更高的材質(zhì)來避免點蝕的發(fā)生。濾網(wǎng)、法蘭縫隙腐蝕的治理主要采用結(jié)構(gòu)改進的方式來避免縫隙的產(chǎn)生或腐蝕介質(zhì)滯留，對改型比較困難的部件可以輔助采用在縫隙邊緣涂刷環(huán)氧類油漆代替常用的金屬修補劑隔離海水進行治理。更長期的方式為改變支管法蘭位置從下部到上部，以減少海水和泥沙堆積產(chǎn)生縫隙腐蝕，減少法蘭間縫隙。對于晶間腐蝕等微觀層面腐蝕問題則要實行不銹鋼材料質(zhì)量管理策略，通過梳理重要部件清單、建立復(fù)驗標準、開展入場復(fù)驗、運行過程抽檢、分析追溯等流程保證設(shè)備使用部件材料的可靠性，進而避免微觀腐蝕問題的發(fā)生。

5 總 結(jié)

綜上所述，核電站重要廠用水系統(tǒng)常見腐蝕失效主要包括防護層失效和不銹鋼部件失效，防護層失效行為有鼓泡、脫落、減薄、破損，失效主要原因為施工質(zhì)量控制不嚴、機械安裝不合理及自然老化，從施工質(zhì)量控制和老化管理等方面開展工作能夠有效避免失效問題的發(fā)生。不銹鋼部件常見失效類型為縫隙腐蝕、點蝕和晶間腐蝕，主要原因為材質(zhì)特點、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材質(zhì)加工工藝不當，建議通過選材換型、結(jié)構(gòu)改進和大宗材料檢驗來治理和預(yù)防腐蝕。