矿物绝缘伴热带在核电硼加热系统中应用

卢垠西 廖信全 张 甬 徐微分

(1中广核工程有限公司，深圳 518120；2博太科上海技术研究中心，上海 201114)

从国内引进的第一套基于CPR1000二代半技术法国M310技术的核电机组开始，硼加热系统中伴热带的应用就延续着国外的标准采用进口304L外护套材质的MI矿物绝缘电伴热带（以下简称MI伴热带）。随着核电项目国产化进程的深入，对于电伴热带的国产化以及应用选择也有了新的要求。本文针对国产MI伴热带在核电应用中的情况做了一定的试验与分析。

1 伴热系统中核心部分

核电硼加热系统中装有重量百分比大于10%的硼酸溶液的管道，因为高浓度的硼酸析出温度比管道电伴热系统用于防冻保护系统时更为严格，所以需要采用关键过程控制，将运行温度范围控制在流体结晶温度之上，以防止在正常和异常运行工况下堵塞管道[1]。作为在硼加热系统中应用最多的MI伴热带，也成为伴热系统中核心部分。

2 MI伴热带外护套材质

当前，国内工业现场中常用到的MI伴热带外护套材质主要有304L,321,316L，以及825材质几种。前三种材质为奥氏体不锈钢，其中304L是一种通用性的低碳不锈钢；321是以钛，铌加钽、铌稳定化的不锈钢；低碳不锈钢316L含有钼，高温下材料的机械性能良好；825合金则属于镍铁铬铁系镍基耐蚀合金。

奥氏体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能和加工性能,所以被广泛应用于核电项目中；又由于奥氏体不锈钢在核电工业应用中有可能存在辐照促进应力腐蚀破裂(IASCC)[2]的情况,尽管硼加热系统位置并不处于核电堆内，仍然有必要验证辐照对伴热带的腐蚀影响。

3 不锈钢抗腐蚀性能

不锈钢在一般环境的空气或淡水环境中发生腐蚀，表面会形成一层致密的氧化膜，使钢铁腐蚀过程受到抑制。海洋环境的空气氯离子含量较高，而氯离子很容易置换氧化膜中的氧破坏氧化膜，这就使在一定浓度的氯离子环境下很难建立稳定的钝态。而不锈钢中的钼，可降低氯离子对钝化膜的破坏。随着氯离子在设备上的积累，氯离子的浓度会越来越高，对不锈钢的腐蚀性会越来越大[3]。

虽然大多数不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，但在海水和其他氯化物溶液环境下，仍存在点蚀现象，点蚀是不锈钢腐蚀失效的主要形式之一[4]。国内大多数核电站建站选择在沿海地区，核电项目施工周期长，硼加热电伴热系统从货到现场开始施工到安装调试完毕整个过程需要3年左右时间，虽然现场对伴热带的保存已经采取了相对应措施，但沿海的海盐环境气候以及现场施工条件的限制，依然会对矿物绝缘伴热带造成一定的影响。

4 海洋环境对MI伴热带性能影响

出于海洋环境对MI伴热带性能影响的考虑，本文从海盐腐蚀方面通过试验对核电现场如何选择最合适的外护套来满足应用要求，进行了论证,下面是盐雾试验具体内容：

4.1 矿物绝缘伴热带盐雾实验

试验采用5%+1的氯化钠盐水溶液，溶液PH值调在中性范围（6.5～7.2）作为喷雾用的溶液,试验温度取35℃+2，盐雾的沉降率在1～2ml/80cm2.h之间[4]。

本次实验设计没有采用将产品在盐雾和湿热两种环境条件下交替转换的交变盐雾试验方法，是考虑到现场矿物绝缘伴热带一旦安装完毕，会使用导热胶泥将伴热带完全贴敷在硼酸管道上，并使用保护罩予以保护，因此，伴热带正式投运后，可以认为基本与盐雾环境隔离，所以认为采用中性盐雾试验已经可以模拟核电项目矿物绝缘伴热带极限情况下的储存和安装调试条件。

试验选取了4种外护套材质的矿物绝缘伴热带，在盐雾试验下，伴热带变化见表1盐雾试验数据记录统计表和盐雾试验报告。

表1 盐雾试验数据记录统计

4.2 试验数据分析

通过上述试验可以看出，MI伴热带不同外护套材质的产品在盐雾实验外观腐蚀的耐受能力存在一定差距。对锈蚀情况做了进一步分析，根据不锈钢在含有氯离子的环境中容易出现点腐蚀（指在金属材料表面大部分不腐蚀或者腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀）的倾向，一般点腐蚀的孔径都小于1mm，深度都小于孔径，需通过使用扫描电子显微镜和能谱仪对盐雾试验后外护套表面生成的锈点进行定性分析。

采用分析设备对盐雾试验样带外护套锈点取样表面形貌分析和深度检测，同时对微区化学成分进行分析。扫描电子显微镜聚焦电子束在样带外护套表面逐点扫描成像，高能量电子束与所分析外护套锈点物质相互作用产生的各种信息被能谱仪接收并处理后，得到表征X光射线光子的能量以找到相对应的元素。可对元素进行定性分析，本实验利用分析仪器原理得出了定性分析的能谱图如下。

表2 盐雾试验报告

图1 316L盐雾试验样带谱图

表3 316L盐雾试验样带检测报告

图2 321盐雾试验样带谱图

表4 321盐雾试验样带检测报告

图3 304L盐雾试验样带谱图

表5 304L盐雾试验样带检测报告

实验取样了304L,316L,321，825合金不同材质的样带外护套，各选取了7个批次，以72h为盐雾试验的周期，试验过程中不同批次的304L样带经过22h/48h/66h开始生锈，不同批次的316L样带经过17h/24h/72h开始生锈，不同批次的321样带经过24h/48h/72h开始生锈，不同批次的825合金样带经过数小时均未生锈；其中321样带取样数量多于其他样带，而生锈数量和其他材质样带持平，总体生锈数量占比低于其他材质样带，更能说明321材质样带锈蚀几率低于304L和316L样带。

从实验报告综合表象来看825合金材质样带耐腐蚀能力最优，316L的耐腐蚀能力逊色于321材质却好于304L材质样带，但表面生成的产物成分未知，并不能完全定性哪种外护套适用于硼加热系统的伴热带。那么，根据能谱图（图1，表3），（图2，表4），（图3，表5）对比分析了盐雾试验对三种不锈钢材质造成锈蚀的因素，其中，316L样带的谱图显示出具有龟裂状的产物生成，同时从元素成分上可发现存在氯元素，属于点蚀腐蚀。321样带的谱图显示出表面锈蚀形成了颗粒状的产物，经测定产物成分中含有氯元素，局部范围内没有出现锈蚀小孔，倾向于点腐蚀；304L样带的谱图显示出表面具有龟裂状的蚀坑，并形成了颗粒状深色产物，经测定产物成分中也存在氯元素，局部范围内出现锈蚀小孔，完全属于点腐蚀范畴，按腐蚀程度来看优劣依次为825合金最优，其次为321，316L和304L。

综上所述，考虑825合金材质外护套公认抗腐蚀能力强但造价高，316L材质中含有钼元素（具有抗腐蚀能力），而电伴热外护套由直径为30mm，外径为2.4mm，长度为1m，的不锈钢管拉伸成伴热带直径为3.2mm，壁薄仅为0.25mm，表面积放大了9.6倍，管材中的杂质以及各种不稳定因素也被放大了数倍，321材质外护套热稳定性和热加工性良好，因此抗点腐蚀能力略强于316L,良好的热加工性使其拉伸成型后，伴热更不易出现不稳定杂质来导致点腐蚀。因此加热系统矿物绝缘伴热带的外护套建议选用表面锈蚀最轻微的321材质不锈钢，并配合带有缓蚀剂的导热胶泥嵌敷来应用。导热胶泥将外护套与空气隔离，杜绝了外护套与海洋环境的空气氯离子接触，这样氯离子很难置换氧化膜中的氧破坏氧化膜，提高了抗腐蚀能力，确保MI伴热回路在整个使用周期中基本不受核电海盐环境的影响，可以满足核电技术应用的需求。

[1]核电厂管道电热系统设计和安装，EJ/T 642-92

[2]李红梅；杨武；蔡珣；吕战鹏 ；奥氏体不锈钢辐照促进应力腐蚀破裂的模拟研究

[3]李昌林；曲艳阳；对核电用不锈钢腐蚀的研究和分析

[4]占峰；乔利杰；褚阳武；张继枚；齐新；321不锈钢点蚀电位影响因素的研究

[5]电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验 Ka：盐雾 CB/T 2423.17-2008/IEC 60068-2-11：1981