濱海核電機組海水系統部件腐蝕與防護現狀

凌禮恭，李小龍，賈盼盼

（生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

目前我國商用核電廠選址均在濱海，以海水作為最終熱阱及部分熱量導出系統的傳熱介質。海水中含有較高濃度的鹵素離子、微生物等對設備腐蝕具有促進作用的因素，因此，核電廠涉海水系統普遍面臨著海水侵蝕的問題，影響核電廠的安全穩定運行。

本文綜述了我國商用核電廠公開報道的核電廠涉海水系統管道、設備腐蝕案例，系統介紹了涉海水部件的應用、腐蝕現狀、防腐手段，總結了腐蝕防護優化的原則和方向。

1 核電廠的海水系統

1.1 系統分布與功能

典型壓水堆核電廠涉海水工藝系統的流程如圖1 所示，包括海水過濾系統、海水處理系統、核島重要廠用水系統、常規島輔助冷水系統和凝汽器循環冷卻系統［1］，這些系統的管道、設備與海水直接接觸，選材和尺寸多樣、工藝接頭多、結構復雜［2］。

圖1 典型壓水堆核電廠涉海水工藝系統的流程圖［1］Fig.1 Flow chart of seawater cooling water system in nuclear power plant［1］

1.2 服役環境

海水含鹽量高且有大量氯離子和微生物，為了抑制海生物，在粗隔柵和重要廠用水泵前引入次氯酸鈉溶液，次氯酸鈉中氯離子的強氧化性同時加重了部件的腐蝕。設計上添加氯離子的濃度為1 ppm［3］。

另外，我國海岸線漫長，水質多樣。例如某地處南海之濱的核電站，區域海水pH 值在8.3～8.5，溶解氧5～6 mg/L，且富含氯及其他鹽類離子［2］。而某核電所處的杭州灣，其海水除具有高含鹽量（氯離子的含量高達7250 ppm）的特點外，其含沙量（5-12 kg/m3）也很高［4］。

2 海水部件的腐蝕現狀

在現有濱海核電廠中，涉海水系統部件腐蝕防護手段分為三大類：第一類，選擇耐海水腐蝕材料；第二類，覆蓋防腐蝕涂層；第三類，電化學防腐。由此形成了海水系統部件選材多樣化的特征，以管道選材為例，分為以下幾大類，如表1所示，常用選材包括碳鋼（低合金鋼）+內襯（襯涂層、襯橡膠、襯水泥砂漿）、不銹鋼、鈦合金、鋼筋水泥砂漿、玻璃鋼、高密度聚乙烯等。

表1 涉海水管道常用選材及腐蝕防護考慮Table 1 Material selection and corrosion protection considerations for seawater related pipelines

2.1 碳鋼部件

碳鋼主要用在工藝管道、閥體、過濾器殼體、熱交換器水室等設備上，且碳鋼普遍結合內襯技術使用，例如襯橡膠、襯防腐涂層、襯水泥砂漿、襯塑料等。

2.1.1 碳鋼涂層

早期建造的核電廠涉海水部件大多是在碳鋼部件表面涂裝涂料，由于涂料的涂裝質量以及涂層自身壽命問題，涂層的老化脫落難以避免。涂層常見的失效形式為鼓泡，如圖2所示。

圖2 管道內壁涂層鼓泡與脫落失效情況 a）整體，b）局部［5］Fig.2 Blistering and peeling of pipeline inner wall coating a）overall,b）local［5］

2.1.2 碳鋼襯膠

碳鋼襯膠管道只要內襯不受損壞，碳鋼基體就不會受到腐蝕。襯膠防護層常見的失效形式為海水沖刷減薄、自然老化、機械碰傷等。核電廠中普遍采用的橡膠和塑料襯里的使用壽命一般超過10 年。

2.1.3 碳鋼襯水泥砂漿

水泥砂漿襯里性能比較穩定，但質地疏松，其最大的問題是局部脫落和貫穿性開裂，并在開裂處發生縫隙腐蝕［6］。某核電廠對口徑400 mm的海水管道采用水泥砂漿襯里保護，外加電流陰極保護的聯合保護方法［7］。水泥砂漿襯里由于經濟性較差，一般只在核安全要求較高且有抗震要求的部件上使用［8］。

碳鋼加內襯技術的優缺點及主要失效模式如表2所示。

表2 不同襯里類型的優缺點及主要失效模式Table 2 Advantages and disadvantages and main failure modes of different lining types

2.2 不銹鋼部件

不銹鋼部件一般直接與海水接觸，不額外采用腐蝕防護措施，部分大管徑管道采用犧牲陽極或外加電流保護。

2.2.1 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼主要用在粗隔柵、細隔柵、鼓網網片及沖洗管等。雖然316L（317LN）較304L 不銹鋼增加了Mo 元素，提高了耐腐蝕性能，但由于次氯酸鈉的投加、長時間接觸海水的特點，特別是死水管段，其耐海水點蝕的能力仍然無法滿足長期運行的需要［9］，如圖3 所示。

圖3 奧氏體不銹鋼的腐蝕 a）循環水系統虹吸母管316L，b）支管304L［9］Fig.3 Corrosion of austenitic stainless steel a）siphon header 316L of circulating water system,b）branch pipe 304L［9］

2.2.2 超級不銹鋼

某核電EPR 機組SEC 系統中使用了超級奧氏體不銹鋼904L 材料，其含14.0%～18.0%鉻，24.0%～26.0%鎳，4.5%鉬，具有很好的活化-鈍化轉變能力，耐腐蝕性能好，在中性含氯離子介質中具有很好的抗點蝕性，同時具有良好的抗縫隙腐蝕及抗應力腐蝕性能。

2.2.3 雙相不銹鋼

AL-6XN（Cr21%、Mo6%）超級雙相不銹鋼耐海水腐蝕。AP1000 堆型的廠用水系統管道內采用AL-6XN 超級雙相不銹鋼，但是AL-6XN 價格昂貴（約2萬元/m），經濟性較差［10］。

2.3 鈦合金部件

核電廠熱交換設備海水側部件常選用鈦或鈦合金，其在海水中易鈍化，腐蝕電位均高于不銹鋼、碳鋼等，自身具備很好的腐蝕性能，但易導致與其連接的其他金屬材料發生電偶腐蝕。

不銹鋼及鈦合金優缺點及主要失效模式如表3所示。

表3 不銹鋼及鈦合金部件的優缺點及主要失效模式Table 3 Advantages and disadvantages and main failure modes of stainless steel and titanium alloy parts

2.4 鋼筋水泥砂漿管

鋼筋水泥砂漿管結構強度高、耐腐蝕性能好但經濟性差，一般僅用作核安全要求較高的輸水管。鋼筋水泥砂漿常見的失效有水泥砂漿的裂紋、蜂窩、粉化等。海水由砂漿層缺陷滲透，與鋼筋接觸，從而發生腐蝕，同時腐蝕產物對鋼筋水泥砂漿結構具有一定的膨脹作用，可能導致管道的脹裂［11］。

2.5 玻璃鋼部件

玻璃鋼是玻璃纖維增強的熱固性樹脂基復合材料，具有良好的耐蝕性能。玻璃鋼在核電廠中常用作疏水管材，其主要的失效形式是玻璃鋼的老化［11］。玻璃鋼管道壓力最大只到1.0 MPa，一般用于室外直埋［10］。

2.6 高密度聚乙烯部件

高密度聚乙烯（HDPE）是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有很好的抗海水腐蝕和生物侵蝕的特性，且易安裝、成本低，因此是涉海水系統金屬管材較好的替代材料。然而要使HDPE廣泛用于核安全級設備上，還面臨著諸多問題，如熱熔接頭的質量檢驗與驗收、服役溫度和壓力限制、應用標準的建立等［12-14］。

涉海水非金屬材料部件優缺點及主要失效模式如表4所示。

表4 非金屬材料部件優缺點及主要失效模式如下Table 4 Advantages and disadvantages and main failure modes of nonmetallic components are as follows

綜上所述，涉海水系統部件材料腐蝕原因可歸納為兩大類：其一，腐蝕防護設計不合理，例如選用的材料耐蝕等級不夠、未考慮部件間可能形成的電偶腐蝕等；其二，已有的防腐措施失效，例如內襯的破損、陰極保護不良或失效、水化學參數超標等［1］。

3 海水管道腐蝕防護手段與優化

耐海水腐蝕材料、隔離部件與海水、電化學防腐是涉海水系統部件材料腐蝕防護的三大手段和優化方向。

3.1 選用具有更優耐海水腐蝕性能的材料

在核電廠涉海水工藝系統中，泵的水力部件、閥瓣、濾網、換熱器的換熱管和管板、管道及管排等易腐蝕部件應優先選用耐蝕等級高的材料，以提高部件和設備的可靠性。

選用高耐蝕等級材料的良好工程實踐如表5所示。

表5 選用高耐蝕等級材料的良好工程實踐Table 5 Good practice in selecting corrosion resistant materials

3.2 隔離部件與海水

隔離部件與海水一般采取襯里技術，包括襯橡膠、襯塑料、襯涂層、襯水泥砂漿等。但在海水環境中，涂層一般不單獨使用，而是和陰極保護聯合使用。

襯里技術在大部分管道內防腐效果較好，但在三通管、彎管、泵后管、閥后管等特殊位置，因流速、流向變化等因素，容易出現不同程度的內防腐層破損、脫落現象，因此出現了抗腐蝕性好、耐磨性高的高聚陶瓷涂料+貼覆增強帶［4］、耐磨涂層（厚漿型樹脂）+陰極保護等優化方案［6］。

3.3 電化學保護

電化學陰極保護有犧牲陽極塊陰極保護和外加電流陰極保護兩類。

3.3.1 犧牲陽極塊陰極保護

犧牲陽極保護法是將被保護金屬和一種電位更負的金屬或合金（即犧牲陽極，如鋁-鋅-銦）相連，使被保護金屬腐蝕速率降低的方法，如圖4所示。該方法適用于防護距離短、分散、易安裝的部件［8］。陽極塊要布置在合理位置，可考慮對稱布置和均勻布置，定期檢查陽極塊以免脫落降低防腐蝕性能、增加流阻。犧牲陽極法日常運維簡單，但驅動電壓低、保護距離短。

某核電粗隔柵、鋼閘門、細隔柵、循環水進出凝汽器管道、二次濾網、跌落井各閘門導軌均使用防腐漆加陽極塊的設計［3］。

圖4 犧牲陽極塊陰極保護法原理圖Fig.4 Schematic diagram of cathodic protection with sacrificial anode block

3.3.2 外加電流陰極保護

外加電流陰極保護是向被保護金屬結構表面施加一個外加電流，被保護物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，如圖5所示。外加電流陰極保護系統由恒電位儀、參比電極、輔助陽極等組成。一般用于防護范圍較廣的大型部件，例如旋轉濾網、內外表面均與海水接觸的部件等。保護電流過大會引起涂層剝離，甚至超過析氫電位，導致氫脆斷裂；保護電流過小導致腐蝕防護不足，因此需實時進行外加電流保護監測［11］。

某核電廠重要廠用水系統管道，由于管線較長（約450 m），采用了電流陰極保護聯合重防腐涂層的防腐措施［4］。

圖5 外加電流陰極保護原理圖Fig.5 Schematic diagram of impressed current cathodic protection

3.4 聯合防腐

聯合防腐一般指通過材料、電化學、隔離措施的優化和組合起到超越單獨防腐手段效果的優化手段。

3.4.1 電偶腐蝕的聯合防腐

電偶腐蝕易發生在海水冷卻系統的濾網和換熱管上，這是由于不銹鋼濾網或鈦合金換熱管跟周圍的內襯碳鋼管道接觸形成了電偶腐蝕。某核電廠采取隔離+電化學陰極保護的聯合防腐措施，即修補防腐涂層以保護碳鋼殼體，在水室涂覆襯膠均起到隔離海水的作用，增加外加電流陰極保護以保護管板［2］。

3.4.2 奧氏體不銹鋼管線聯合防腐

奧氏體不銹鋼對海水中鹵素離子存在較高的點蝕敏感性，為此采取耐蝕材料堆焊+表面鈍化+電化學的聯合防腐措施。焊縫背面預先堆焊：通過焊接工藝的改進在管道焊縫內側熱影響區表面預先堆焊耐蝕合金（ER385），如圖6所示。電化學鈍化處理：采用電化學鈍化處理對管道內壁進行防腐處理，如圖7 所示。鋅塞陽極：在管道上加裝鋅塞作為犧牲陽極，如圖8所示［15］。

圖6 焊縫背面預先堆焊示意圖Fig.6 Schematic diagram of pre surfacing on the back of weld

圖7 電化學鈍化處理示意圖Fig.7 Schematic diagram of electrochemical passivation treatment

圖8 鋅塞陽極Fig.8 Zinc plug anode

4 總結

1.涉海水部件腐蝕防護手段主要有選擇耐海水腐蝕材料、隔離部件與海水、電化學防腐以及上述措施的組合形成的聯合防腐。

2.涉海水部件選擇碳鋼加有機或無機材料內襯是目前普遍采用的腐蝕防護手段；對于泥沙沖刷腐蝕嚴重的區域，采用陶瓷涂層內襯具有較好的使用經驗。雙相不銹鋼、超級不銹鋼、鈦合金、水泥砂漿、高密度聚乙烯具有各自的防腐優勢，在核電廠涉海水系統部件中有一定量的使用。

3.為避免內襯局部失效帶來“小陽極大陰極”的不利影響，內襯手段一般與電化學防護（犧牲陽極、外加電流陰極保護）同時使用。