電廠輔助冷卻水系統(tǒng)板換出口管道腐蝕穿孔原因分析

□盧裕夫 胡永強(qiáng) 劉 聰 吳多榮

輔助冷卻水系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“SEN”)的功能是通過(guò)過(guò)濾和清除海水中的雜物、懸浮物和貝類等，為常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“SRI”)提供冷卻水。某核電廠一臺(tái)機(jī)組的SEN系統(tǒng)主要由3臺(tái)海水升壓泵及前后進(jìn)出口管道、2臺(tái)電動(dòng)濾水器及前后進(jìn)出口管道、水-水熱交換器進(jìn)出口管道、閥門組成。自102大修以來(lái)，該核電廠1號(hào)機(jī)組SEN系統(tǒng)管道已出現(xiàn)多處腐蝕漏點(diǎn)，漏點(diǎn)主要位置分布在SRI/SEN板換海水側(cè)出口管道及儀表接管處，堵漏壓力大，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，若SEN無(wú)法給SRI提供冷源，就有可能出現(xiàn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

一、腐蝕特征

管道解體后，工作人員對(duì)管道進(jìn)行腐蝕檢查。檢查結(jié)果表明，管道整體涂層良好，未出現(xiàn)大面積鼓泡、涂層脫落等現(xiàn)象。但局部出現(xiàn)涂層破損、管道基體銹蝕的情況。腐蝕缺陷部位主要集中在板換出口靠近法蘭面和焊縫處，嚴(yán)重處可見(jiàn)明顯的腐蝕穿孔現(xiàn)象。

二、因素分析

(一)SEN系統(tǒng)現(xiàn)有的狀態(tài)。

1.SEN系統(tǒng)運(yùn)行工況。該電廠地處熱帶，常年高溫，海水鹽度高。所有設(shè)備的最終冷源為海水，通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)二條進(jìn)水母管(A列、B列)，經(jīng)海水升壓泵升壓后，送入電動(dòng)濾水器中，通過(guò)板式水-水熱交換器帶走常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)排出的熱量，并將熱量通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)排到海水中。板換出口管道設(shè)計(jì)壓力約為0.6MPa，海水溫度接近40℃，流速約為0.572m/s～0.649m/s，因此，海水對(duì)碳鋼、低合金鋼的腐蝕性較強(qiáng)。

2.SEN系統(tǒng)管道材料。該電廠SEN管道采用10CrMoAl材料，10CrMoAl是一種較耐海水腐蝕的專用鋼材。根據(jù)其化學(xué)成分，10CrMoAl材料的耐腐蝕機(jī)理是通過(guò)材料中的Al，能與空氣中的氧化學(xué)反應(yīng)生成三氧化二鋁Al2O3，從而形成保護(hù)膜；材料中的Cr、Mo元素在海水中能自動(dòng)補(bǔ)充氯離子對(duì)鋼材點(diǎn)腐蝕形成的空隙，形成致密保護(hù)層，阻止點(diǎn)蝕縱深發(fā)展，進(jìn)而起到耐腐蝕作用，延長(zhǎng)材料的使用壽命。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，10CrMoAl材料也受到海水侵蝕。主要原因是由于其相比其他電廠，該核電廠所處的環(huán)境海水鹽度高、溫度高，腐蝕環(huán)境更加惡劣。

3.SEN系統(tǒng)涂層防護(hù)。原設(shè)計(jì)SEN系統(tǒng)DN600以下管道內(nèi)壁無(wú)防腐涂層或其他防腐措施，在102大修期間，對(duì)板換出口管道進(jìn)行整體噴砂防腐處理，除銹等級(jí)為Sa3，涂層配套體系為：陶瓷修補(bǔ)劑(Devcon11700)+陶瓷防護(hù)劑(Devcon11760)，設(shè)計(jì)總膜厚為600μm。陶瓷修補(bǔ)劑是一種高性能、可涂抹、以陶瓷粉末作為填充材料的環(huán)氧修補(bǔ)劑，具有優(yōu)良的耐流體沖蝕、氣蝕、化學(xué)腐蝕及磨損的性能。103大修檢查發(fā)現(xiàn)，直管段涂層整體情況良好，沒(méi)有出現(xiàn)涂層大面積鼓泡或破損的現(xiàn)象。

4.SEN系統(tǒng)陰極保護(hù)。該系統(tǒng)DN600以上管道內(nèi)部都有布置犧牲陽(yáng)極塊，大修期間對(duì)母管進(jìn)行腐蝕檢查，發(fā)現(xiàn)管道僅出現(xiàn)局部的涂層鼓泡，犧牲陽(yáng)極塊消耗正常，并沒(méi)有出現(xiàn)管道基體銹蝕的情況。而板換出口管道(DN600以下管道)沒(méi)有設(shè)置犧牲陽(yáng)極塊和外加電流保護(hù)，腐蝕檢查發(fā)現(xiàn)直管段涂層完好，并沒(méi)有出現(xiàn)涂層大面積鼓泡或破損的現(xiàn)象。然在靠近焊縫、變徑處則出現(xiàn)涂層脫落、出現(xiàn)大面積的腐蝕坑，甚至穿孔的現(xiàn)象，這表明涂層和陰極保護(hù)，均沒(méi)有很好地起到防護(hù)的作用。

(二)SEN系統(tǒng)管道腐蝕原因分析。

1.沖刷腐蝕。海水沖刷腐蝕就是金屬表面與海水相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的沖刷，海水中含有懸浮的固體顆粒或氣泡，會(huì)加速管道內(nèi)表面的破壞。1SEN管道額定流量為3,880m3/h，最大流量為4,400m3/h，換算可得海水流速介于0.572m/s～0.649m/s之間，在該流速范圍內(nèi)，SEN腐蝕電位已達(dá)最高。且當(dāng)流體橫截面積未達(dá)最大時(shí)，尤其變徑、彎頭或閥門下游管道等水力發(fā)生變化的部位，流速將更快，從而破壞金屬表面的涂層完整性，導(dǎo)致涂層防護(hù)性失效。

2.材料組織性能的影響。對(duì)于管道的彎頭及變徑處，位置在焊縫上或者距離焊縫較近處于焊接熱影響區(qū)，這部分區(qū)域在焊接過(guò)程中受到電弧熱的作用，該區(qū)域受高溫作用，可能會(huì)出現(xiàn)一些晶粒粗大、材料成分偏析、組織分布不均勻的現(xiàn)象。從而使母材10CrMoAl的組織和性能在一定程度上發(fā)生變化，材料的塑性和沖擊韌性下降，耐腐蝕性能下降。這也是彎頭及變徑處管道腐蝕穿孔的一個(gè)重要原因。

3.電偶腐蝕。變徑處的管道和板換加熱器通過(guò)法蘭進(jìn)行連接，管道的材質(zhì)為10CrMoAl低合金鋼，板換的材質(zhì)為鈦，管道內(nèi)部的運(yùn)行介質(zhì)為海水，海水是導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)，鈦板的自腐蝕電位約為0.15V[3]，低合金鋼的自腐蝕電位約為-0.4V。兩者的電位差約為0.55V，在海水介質(zhì)中形成一個(gè)閉合的回路，且鈦板的面積遠(yuǎn)大于碳鋼管，從而產(chǎn)生大陰極、小陽(yáng)極的電偶腐蝕現(xiàn)象。碳鋼作為陽(yáng)極失去電子，被不斷氧化溶解產(chǎn)生腐蝕。腐蝕的結(jié)果為抗腐蝕性強(qiáng)的材料受到保護(hù)，抗腐蝕性差的材料加速腐蝕。

綜合以上分析結(jié)果可知，由于海水沖刷破壞了涂層完整性，加之焊縫熱影響區(qū)本身的影響，導(dǎo)致電偶腐蝕的發(fā)生，從而引起管道腐蝕穿孔。

三、腐蝕管道的防護(hù)措施

(一)糾正性防腐措施。針對(duì)以上腐蝕原因，可采取以下糾正性防腐措施。

1.將腐蝕穿孔的管道進(jìn)行全面解體，進(jìn)行噴砂處理，噴砂等級(jí)達(dá)到Sa3，對(duì)穿孔外表面使用鋼板進(jìn)行貼焊，內(nèi)部打磨處理后進(jìn)行堆焊。然后使用耐蝕性更好的陶瓷修補(bǔ)劑(Devcon11700)+陶瓷防護(hù)劑(Devcon11760)+954油漆進(jìn)行防腐處理，設(shè)計(jì)總膜厚為600μm。加強(qiáng)施工過(guò)程的質(zhì)量控制，特別是涂層驗(yàn)收記錄應(yīng)保存歸檔，確保質(zhì)量控制的溯源性。

2.管道回裝時(shí)做好電絕緣[1]。不同金屬之間的連接要在法蘭面增加絕緣墊片，螺栓增加絕緣套管以切斷腐蝕電流通路，絕緣隔離可以減緩腐蝕。因管道內(nèi)輸送的是水介質(zhì)，為保證絕緣效果，因在絕緣法蘭兩側(cè)涂刷定厚度的涂料使其絕緣。

(二)長(zhǎng)期防護(hù)措施。

1.通過(guò)技改在該處管道增加陰極保護(hù)。陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流保護(hù)，兩種方法各有利弊：增加犧牲陽(yáng)極塊具有不需要外部電源、無(wú)須經(jīng)常維護(hù)、安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其保護(hù)范圍有限，故需合理布置犧牲陽(yáng)極塊的位置。外加電流保護(hù)效果雖然較好，但存在長(zhǎng)期維護(hù)、增加運(yùn)行成本等缺點(diǎn)。因此，具體選取何種防護(hù)措施，還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用。

2.使用耐蝕性更好的材料，如雙相不銹鋼。

四、結(jié)論及建議

(一)結(jié)論。輔助冷卻水系統(tǒng)板換出口管道焊縫處腐蝕穿孔的主要原因可能是沖刷腐蝕破損了涂層的完整性，加之穿孔區(qū)域?yàn)楹缚p及熱影響區(qū)，組織性能不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致碳鋼管道和鈦板在海水介質(zhì)中形成了大陰極、小陽(yáng)極的電偶腐蝕，最終引起管道的腐蝕穿孔。

(二)建議。針對(duì)管道的腐蝕失效形式，建議對(duì)腐蝕穿孔的進(jìn)行外部貼焊和內(nèi)部堆焊加使用耐蝕性更好的陶瓷涂料進(jìn)行防腐；對(duì)所有的管道進(jìn)行解體進(jìn)行噴砂防腐處理，在實(shí)施過(guò)程做好質(zhì)量控制；合理、正確的應(yīng)用陰極保護(hù)可以有效降低腐蝕穿孔的可能；使用更高等級(jí)的耐蝕性材料如雙相不銹鋼。