核電廠保溫層下管道腐蝕與涂層耐久性監測

林 斌 付國慶 沈新生 林澤泉 劉洪群 薛 飛

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215002）

0 引言

保溫層下腐蝕（CUI，Corrosion Under Insulation）是指包裹保溫材料的管道或設備外表面的一種腐蝕現象[1]。一般是由冷凝水進入保溫系統而導致管道或設備外表面的局部腐蝕。當保溫存在濕氣時，極易發生電化學腐蝕和縫隙腐蝕，由于表層覆蓋，腐蝕難以檢測。隨保溫層內濕氣不斷積累，保溫效果下降，金屬表面涂層老化、鼓泡，金屬基體腐蝕加劇。極端情況下，管道腐蝕穿孔泄露，引發安全事故。本文針對核電廠冷凍水管道引起保溫層下腐蝕主要因素（溫度、濕度）進行監測，并長期記錄保溫層下金屬腐蝕電流與涂層阻抗變化，判斷涂層的完整性與金屬基材的腐蝕傾向。

1 保溫層下管道涂層老化與腐蝕情況

某核電廠冷凍水管道，材質為A 1 0 6 G R.B（ASTM），保溫層下存在涂層老化與管道腐蝕情況，如圖1所示。冷凍水系統為主控室空調系統、電器廠房通風系統以及電纜層通風系統冷卻盤管提供8℃冷凍水，冷凍水系統故障后電氣廠房內溫度升高最終會導致電廠機組停運。冷凍水管道是系統的重要組成部分，為了保證管道有效使用壽命，節省維修和管理費用，針對該系統部分管段開發監測設備，保溫修復后安裝監測系統，實時監測保溫層下管道的腐蝕狀態、溫濕度和涂層耐久情況，評估管道修復效果。

圖1 金屬基體腐蝕與涂層老化破損

2 監測系統

CUI腐蝕監測、涂層耐蝕評估系統主要包含傳感器、監測主機、供電模塊等，基于腐蝕電化學原理，采用交流阻抗和電偶電流技術，通過安裝在保溫層下的各類傳感器，將腐蝕電流、溫濕度、阻抗等信息傳遞給處理單元，經信號轉化、存儲到主控模塊，現場可通過藍牙和數據下載器拷貝數據。

2.1 多功能腐蝕傳感器

多功能腐蝕傳感器基于電偶探針原理，通過監測待測金屬失電子數來反應腐蝕速率，用于監測管道的腐蝕速率，同時，集成溫濕度傳感器，測定保溫層內環境溫、濕度變化情況，如圖3及圖4（a）、圖4（b）所示。

圖2 監測系統示意圖

圖3 腐蝕傳感器測試原理圖

圖4 監測傳感器示意圖

2.2 涂層阻抗監測傳感器

涂層阻抗監測傳感器基于電化學阻抗譜（EIS）原理，傳感器如圖4（c）所示。涂層阻抗監測基于測量對體系施加小幅度微擾時的電化學響應，在每個測量的頻率點的原始數據中，包含了施加信號電壓（或電流）對測得的信號電流（或電壓）的相位移及阻抗的幅模值。從主控模塊上獲取阻抗譜圖，根據數據可以計算出電化學響應的實部和虛部，獲取阻抗幅模（|Z|）、相位移（θ）等變量。

3 試驗測試與評定

3.1 試驗測量

溫濕度、腐蝕速率監測、涂層耐蝕性監測：將多功能腐蝕傳感器沿管壁埋入保溫層中，如圖5所示。涂層阻抗傳感器埋置于管道外壁保溫層內，沿管道徑向平面呈120°布置，多功能腐蝕傳感器與涂層阻抗傳感器分開布置，相隔距離控制在1～2m之間。長期監測保溫層下各參數變化，判斷保溫層下涂層及金屬本體的狀態。

圖5 腐蝕監測、涂層耐蝕評估系統安裝示意圖

3.2 結果與討論

圖6 溫、濕度與阻抗值隨時間的變化

3.2.1 溫濕度、涂層耐蝕性監測圖6為1年內保溫層下溫濕度以及阻抗值隨時間的變化曲線，結果表明，1年內，保溫層內溫度變化不大，年均溫度在8～10℃左右，相對濕度低于50%，表明保溫層效果完好，未出現保溫破損造成水汽進入保溫造成冷凝水凝結的情況。保溫層內布置3個點監測涂層的阻抗變化，3點阻抗值均在2～2.5×106Ω之間，且無較明顯變化，說明涂層保持良好的耐蝕性能，間接驗證保溫層防護完整。

3.2.2 腐蝕電流監測

圖7 腐蝕電流及電流密度隨時間的變化

圖7 （a）、（b）分別為腐蝕電流-時間和腐蝕電流密度-時間曲線，保溫層內腐蝕電流在0～100 nA之間變化，電流密度在10-8A/cm2數量級，與圖6（a）溫濕度-時間曲線對比發現，在系統停運檢修期間，即150～180d，腐蝕電流及電流密度出現明顯上升，峰值區域時間跨度較大，保溫層內溫濕度以及腐蝕電流小幅增加，腐蝕趨勢小幅增加[2]。

4 結語

對冷凍水部分管道修復并進行腐蝕與涂層耐久監測，在連續1年測試周期內：

（1）溫、濕度、涂層阻抗、腐蝕電流以及腐蝕電流密度均在正常范圍內變化，保溫層完整，金屬基體未出現腐蝕，金屬涂層完整無破損；

（2）系統停運檢修期間，管道水溫升高，保溫層內溫度和濕度略有增加，腐蝕電流以及電流密度呈小幅規律性增長，涂層阻抗變化不大。停機對保溫層下腐蝕有輕微的促進作用，對涂層的耐蝕性影響不大；

（3）通過引入保溫層下監測系統，有效監測部分冷凍水管道的服役情況，為管道修復方案與檢修計劃提供關鍵的技術指導參考依據。