核电站重要厂用水系统常见腐蚀行为分析及治理建议

杨宏欢，高 超，蒲晶菁，廖雪波，潘姚凡

(1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.宁德核电有限公司，福建 宁德 352000)

0 前 言

核电站重要厂用水系统为核安全相关系统，用于电站正常运行和事故工况下与设备冷却水系统的热交换，将与安全有关的构筑物、系统和部件的热量输送到最终热阱(海水)中[1]，对核电站安全稳定运行具有重要作用，包括水泵、管道、阀门、生物捕集器、格栅及热交换器，内部介质为开放型海水。滨海核电站利用海水作为冷源的优点是持续可用且比热容大，水温随环境变化小，但是海水中含有Ca2＋、Mg2＋、Cl－等离子，个别电站Cl－含量达到19.4 g/L，导电率高，腐蚀性强。同时，核电站在海水入口处添加次氯酸钠等杀菌剂来抑制海生物生长，次氯酸钠具有强氧化性，增加了海水的腐蚀性[2]。海水流速、内部固体颗粒如泥沙等也会对厂用水系统设备、管道产生冲刷腐蚀[3]。基于运行介质的腐蚀性，系统在设计之初即考虑了部件的选材及腐蚀防护措施，法兰、滤网、阀杆、阀轴等内部过流部件采用不锈钢等更耐蚀材质，管道等碳钢部件则设计了防腐涂层、阴极保护、衬胶、衬塑等防护措施，一定程度上减少了腐蚀事件的发生。但是在核电站运行过程中设备防护层破损、金属基体腐蚀事件时有发生[4－7]。一旦腐蚀事件加剧，出现防腐层大面积失效、管道腐蚀穿孔等现象，将直接影响系统的完整性和可用性，威胁电站运行安全。因此，有必要对核电站重要厂用水系统的腐蚀问题进行汇总与深入分析，找出共性点和特例，并针对性改进，以便从根本上避免腐蚀问题的发生。本工作从防腐层和不锈钢部件2 个典型维度对核电站海水管路系统的腐蚀失效进行分析，讨论腐蚀失效发生的原因，并提出治理建议，为重要厂用水系统的腐蚀管理提供有效支持。

1 海水管路系统防腐层失效行为分析

重要厂用水系统碳钢部件内壁设计有2 类防护层:防腐涂层和衬胶。在核电站运行过程中，涂层的常见失效行为有鼓泡和破损；衬胶的常见失效行为有鼓泡和减薄破损等。

涂层能够不同程度地阻缓腐蚀介质如水、氧和离子的透过，进而保护被涂物体不受腐蚀[8]。重要厂用水系统主管道材质为碳钢和合金钢，不耐海水腐蚀，设计采用厚度800 μm 环氧涂料，同时使用外加电流或牺牲阳极阴极保护进行附加防护，涂层常见失效形式为鼓泡和破损，鼓泡随机出现于管道内壁，主要发生于基体处理不彻底或涂层涂装薄弱区域；破损则常见于法兰边缘涂层收口处及大面积鼓泡处。橡胶衬里因其良好的抗渗透、耐冲击韧性、耐磨性、结合强度高等性能，在重要厂用水系统的弯管、变径管、竖管中的内壁等不便维修部位使用。但是由于橡胶具有施工要求高、容易老化、不耐划伤、不易维护维修等特点，在核电站实际使用过程中发生多起失效行为，包括鼓泡、脱落、减薄、破损等缺陷[8，9]。由于结构限制导致施工质量不高，负压、受力等原因导致衬胶鼓泡主要发生于变径、弯管、搭接、管端位置；脱落主要原因为机械安装损伤，常见于法兰位置等机械受力部位，减薄和破损主要原因为正常服役老化，在水流冲刷下减薄甚至破损，多发于服役15～20 a 之间的衬胶。

2 不锈钢部件失效行为

重要海水管路系统部件使用的不锈钢牌号主要有316L、904L、17-4PH、SAF2507、Zeron25 等，常见腐蚀问题发生于前3 类不锈钢部件，后两类双相不锈钢部件未见腐蚀反馈。虽然每个与海水接触的部件在设计之初已考虑更耐蚀的不锈钢材料，但在电站运行阶段，依然存在各种腐蚀问题，主要腐蚀类型包括缝隙腐蚀、点蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀。

在系统设计时部件与部件之间常使用法兰装配，存在较多接触面，如316L 不锈钢法兰与衬胶支管接触部位、904L 不锈钢滤网与衬胶接触部位。在软、硬材质接触部位容易形成细小缝隙，当达到缝隙腐蚀条件后不锈钢容易发生缝隙腐蚀和电偶腐蚀，典型失效为缝隙腐蚀。不锈钢在含有卤素离子介质中点蚀敏感性高，当不锈钢部件使用于海水环境时，常发现点蚀坑的腐蚀失效情况，如316L 不锈钢取样管、17-4PH 阀杆、316L 法兰等部件，典型失效为点蚀。17-4PH 不锈钢阀杆出厂前的热处理工艺控制不当时容易发生晶界贫铬现象，易发生晶间腐蚀，进而影响部件的耐蚀性和力学性能，典型失效为晶间腐蚀。

3 腐蚀原因分析

3.1 防护层失效

涂层失效常见原因为涂装施工问题，在涂装不均匀处海水容易通过固化涂层网络间的自由体积空穴和微观上涂膜成膜过程中的小孔穿行[10]，到达涂层/金属界面，穿入涂层的水分与基体表面可溶性杂质作用形成浓溶液，此时涂层内部渗透压可高达2 500 ～30 000 kPa[11]，从而在涂层内外产生渗透压差，水分、氧、离子不断经涂膜渗入涂层/金属界面，发生电化学腐蚀。Fe2＋与OH－反应生成Fe(OH)2，随着反应进行，溶液中溶解更多的离子，渗透压增大，氧含量随水分不断渗入而增加，Fe(OH)2被氧化成含水的Fe(OH)3，为红棕色沉淀。水分及腐蚀产物体积发生膨胀的力大于涂层抗变形的阻力，致使涂层鼓泡失效。同时，随着聚集水的增多，压力增大，会对涂膜和金属的粘结区域施加一个剥离力，使局部积聚水的区域向侧面扩张，引起更多的界面失去粘结[8]。涂层鼓泡后导致性能下降，在水流高流速冲击下易发生破损。在个别电站出现了阴极保护电流过大导致的析氢现象也是涂层鼓泡、破损的另一个原因。

衬胶失效的原因主要有2 类:一是施工质量和安装质量不合格，在衬胶搭接缝部位如果施工不规范，如搭接过少、搭接工艺错误等容易发生衬胶失效情况。法兰在安装过程机械受力不均或者安装时未按要求执行，衬胶容易发生机械破损，在海水冲刷下导致失效[9]。二是衬胶自然老化为主因，叠加机械检修、海水冲刷等辅助因素导致失效。根据运行经验表明衬胶在海水介质中服役15～20 a 后开始出现明显自然老化现象，力学性能下降明显，缺陷逐渐增多，主要表现包括减薄、鼓泡、粉化、冲刷破损等[12，13]，若不及时更换容易发生破损失效。

3.2 不锈钢部件失效

不锈钢部件在海水中属于耐蚀材料，但是由于材质选型、结构设计、材质热加工或冷加工工艺等原因常发生缝隙腐蚀、点蚀、晶间、应力腐蚀等失效问题。材质特点方面，不锈钢属于自钝化金属材料，点蚀和缝隙腐蚀敏感性高[14]，且奥氏体不锈钢的耐点蚀当量较双相不锈钢或铁素体不锈钢低；结构设计上，不锈钢部件与衬胶结构装配处易产生缝隙，当缝隙满足25 ～100 μm 的宽度且在缝隙位置同时存在海水滞留时，将发生缝隙腐蚀[15，16]；材质加工工艺方面，热处理时效工艺不当易导致铬等原子从基体向晶界迁移形成晶界粗化现象，造成紧邻晶界区域贫铬，进而致使材料的塑韧性和耐腐蚀性能降低，导致晶间腐蚀的发生。

4 腐蚀治理建议

针对上述重要厂用水系统防护层及金属部件的腐蚀失效形式，在充分分析失效原因的基础上提出针对性治理建议，并结合目前重要厂用水系统腐蚀治理上的一些改进以及其他系统同类型设备上的腐蚀管理提升，提出腐蚀管理需求。

4.1 防腐涂层

涂层鼓泡和破损主要通过控制施工质量和增加检修频次来治理。施工质量主要取决于前处理质量及施工过程管控，前处理阶段的控制重点为粗糙度和清洁度，根据使用油漆配套推荐，表面粗糙度在50 ～75 μm之间为最佳。使用动力工具清理需达到St3 级，喷砂或抛丸达到Sa.2.5 级，同时需要保证基体可溶性盐份含量低于25 mg/m2(采用Bresle 测试方法)[17]。施工过程需要重点控制油漆配比和漆膜厚度，油漆配比正确与否直接决定油漆性能，而漆膜厚度及涂刷均匀性将决定涂层的保护性。检修频次调整主要取决于历次维修经验反馈、时间窗口及缺陷程度，涂层管道需要1C检查1 次，并对缺陷进行处理，避免鼓泡发展成破损。确保施工人员技能是控制粗糙度、清洁度、油漆配比和漆膜厚度的基础之一，建立核电油漆工评价体系，培训考核合格后持证上岗，同时对每个关键步骤设置质量验证点，保证涂装质量。

4.2 内 衬

衬胶的失效治理主要从衬胶施工安装、合理选择检查窗口、检查部位和老化管理几个方面开展工作。为了避免衬胶的破损和鼓泡问题，需要优化检查窗口和部位，在安装后进行1 次检查，积累原始数据，对弯头、变径、维修部位需要1C 或者2C 检查1 次。在安装施工或者服役初期出现问题时，需要从设备衬胶设计选材上开始介入审查，同时做好重要设备衬胶层的过程监造、装卸运输和现场安装各个阶段的跟踪和管理。衬胶老化管理需要从预防性检查、整体评估、更换或翻新3 个阶段开展工作。预防性检查阶段首先根据衬胶设备的失效后果、腐蚀介质敏感2 个维度进行分级，再结合国内外同类型电厂相关经验反馈确定预防性检查周期。基于以上分级原则，国内电厂重要厂用水系统不同部件的检查周期范围一般为根据服役年限在2C ～4C 之间调整周期，预防性检查时重点关注搭接边、异形结构、受力部件、受冲刷部位，并积累厚度、硬度数据，以便后续趋势分析。整体评估阶段属于衬胶状态评估，服役寿期中期(10～12 a)进行，开展详细硬度、厚度检测并进行破坏性抽样测试，如粘结强度、抗拉强度、拉断伸长率测试，再结合历史缺陷趋势，综合得出衬胶状态或剩余寿命。内衬更换或翻新一般发生于衬胶服役末期(15～20 a)，根据评估阶段的结果和缺陷发生的频率，综合考虑经济性，对衬胶老化部件进行更换或翻新。

4.3 不锈钢部件

不锈钢部件的腐蚀治理应从几种腐蚀机理方面着手，通过选材换型、结构改进和材料检验来治理和预防腐蚀。电厂应该针对重要厂用水系统开展防腐选材工作，梳理各部件设计选材，腐蚀风险、腐蚀经验反馈信息，针对性改进材质信息，对重要的支管、法兰或者腐蚀严重部位可考虑使用双相不锈钢代替常规奥氏体不锈钢等，通过选用耐点蚀当量更高的材质来避免点蚀的发生。滤网、法兰缝隙腐蚀的治理主要采用结构改进的方式来避免缝隙的产生或腐蚀介质滞留，对改型比较困难的部件可以辅助采用在缝隙边缘涂刷环氧类油漆代替常用的金属修补剂隔离海水进行治理。更长期的方式为改变支管法兰位置从下部到上部，以减少海水和泥沙堆积产生缝隙腐蚀，减少法兰间缝隙。对于晶间腐蚀等微观层面腐蚀问题则要实行不锈钢材料质量管理策略，通过梳理重要部件清单、建立复验标准、开展入场复验、运行过程抽检、分析追溯等流程保证设备使用部件材料的可靠性，进而避免微观腐蚀问题的发生。

5 总 结

综上所述，核电站重要厂用水系统常见腐蚀失效主要包括防护层失效和不锈钢部件失效，防护层失效行为有鼓泡、脱落、减薄、破损，失效主要原因为施工质量控制不严、机械安装不合理及自然老化，从施工质量控制和老化管理等方面开展工作能够有效避免失效问题的发生。不锈钢部件常见失效类型为缝隙腐蚀、点蚀和晶间腐蚀，主要原因为材质特点、结构设计和材质加工工艺不当，建议通过选材换型、结构改进和大宗材料检验来治理和预防腐蚀。