核電廠消防水箱泄漏原因分析及解決措施

陳廷偉 邊春華 劉洪群 文 杰

（1. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

消防水系統是核電廠防火系統的主要組成部分，是核電廠重要的安全保障系統,一旦消防水系統失效，必將對核電廠火災事故的預防產生重大影響，威脅核安全。

國內某核電廠消防氣壓供水系統的消防水箱在運行9年以后發生泄漏，泄漏部位為水箱底部焊縫部位，如圖1所示。該消防水箱容積為20m3，以生活飲用水為補充水源。根據竣工圖，水箱為全焊接形式，箱底和箱壁均為304不銹鋼材質，內壁無防腐措施，壁厚為6mm。

本文就消防水箱腐蝕穿孔原因進行了分析，對新建、在建核電廠消防水箱設計、施工給出了建議。

圖1 消防水箱腐蝕穿孔

1 消防水箱泄漏原因分析

1.1 焊材分析

根據消防水箱質量證明書，水箱底板為對接拼焊形式，焊條牌號為H00Cr21Ni10，壁板和底板的焊接為角接焊，焊條牌號為A102（E308-16），焊材具體成分如表1所示。從表中可以看出，兩種焊條的化學成分和母材化學成分比較接近，具有相似的耐蝕性和膨脹系數，均適用于304不銹鋼焊接，因此焊材選擇沒有問題。

1.2 介質分析

消防水箱內部介質為生活飲用水，水質情況如表2所示。從表中可以看出，消防水中含有較多的SO42-、Cl-、HCO3-等離子，其中Cl-會破壞不銹鋼材料表面的鈍化膜，從而引起不銹鋼發生腐蝕[1]。

1.3 泄漏原因分析

（1）Cl-導致發生點蝕

生活飲用水中的Cl-會破壞304不銹鋼表面的鈍化膜，而形成點蝕源[2]。點蝕源一旦形成，局部會存在蝕孔，孔內的表面就處于活性溶解狀態，電位較負，成為陽極；蝕孔外的金屬表面仍處于鈍態，電位較正，成為陰極。于是，蝕孔內部和外部構成了一個活化-鈍化的微電偶腐蝕電池。此電池具有大陰極、小陽極面積比的結構，所以陽極溶解速度很大，蝕孔向深處發展很快，而金屬鈍化表面受到保護，如圖2所示。304不銹鋼焊縫缺陷如硫化物夾雜、晶界碳化物沉積等缺陷，均會導致局部的鈍化膜易于受到Cl-的破壞而形成點蝕；

圖2 點蝕機理示意圖

表1 消防水箱和焊條材料的化學成分

（2）焊縫殘余應力引起應力腐蝕

應力腐蝕是304不銹鋼失效中最常見、危害也最大的一種缺陷[3]。應力腐蝕的產生與發展需要材料具有拉應力與特殊介質（活性陰離子，尤其是Cl-）這兩個基本條件。消防水箱的304不銹鋼板拼焊過程中不可避免存在著殘余拉應力，并且水箱較大，內部充滿生活飲用水，飲用水自身的重力作用與水箱底部也會產生拉應力；生活引用水中含有大量的Cl-，構成了環境因素；拉應力和Cl-共同作用極易導致消防水箱底部焊縫發生應力腐蝕開裂；

（3）不銹鋼焊縫處由于晶粒粗大、成分偏析等原因耐蝕性降低。

不銹鋼高溫加熱時晶粒邊界會析出碳化鉻、氮化鉻和其他金屬間化合物等，該析出物的鉻含量往往會高于不銹鋼平均鉻含量，致使晶界高鉻相與晶粒外緣相鄰接的狹長區域的鉻含量大大下降，形成貧鉻區[4,5]。不銹鋼焊接時，熱過程較短，線能量不斷增加，晶粒本體的鉻原子來不及充分向貧鉻區擴散補充，溫度下降后，貧鉻區得以保持。消防水箱服役過程中，不銹鋼焊縫接觸到內部生活飲用水時，貧鉻區的溶解速度會大大超過晶粒本身，會產生晶間腐蝕；

表2 消防水箱介質水質

（4）水箱底部及底部與箱壁連接處易積垢導致縫隙腐蝕。

消防水箱底部及底部與箱壁連接處原有焊縫焊接質量可能較差，存在錯邊、咬邊或未焊透等缺陷，造成焊縫處存在細微縫隙。而水箱上游生活飲用水管道為碳鋼材質，其腐蝕產物會隨補水進入水箱，并與水中污垢沉積在箱底。焊縫處的縫隙缺陷容易積垢導致縫隙腐蝕。

2 解決措施及建議

2.1 介質控制

消防水箱不銹鋼焊縫處的點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等腐蝕問題，生活飲用水中的Cl-是關鍵環境因素。可考慮控制介質中的Cl-，從而避免發生點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等局部腐蝕。

2.2 電化學拋光

對消防水箱不銹鋼焊縫處進行電化學拋光鈍化，利用不銹鋼在電解液中的選擇性陽極溶解而達到降低粗糙度，增加表面均一性，同時形成一層致密鈍化膜。電解拋光后的微觀表面粗糙度顯著降低，表面自由能減小，與環境反應活性下降，聚積Cl-等危險離子的可能性也隨之降低。這樣焊縫處的腐蝕電位升高，耐蝕能力增強。

2.3 內表面涂裝

對消防水箱內表面進行涂裝，在304不銹鋼基體表面和內部介質之間建立一道人工屏障來阻止和延緩不銹鋼腐蝕和破壞。

3 結語

消防水箱作為核電廠消防系統的重要組成設備，直接影響核電廠的消防系統的正常運行，因此該系統設備的安全穩定性應得到重視，尤其消防相關設備的腐蝕設計、施工和防腐管理，避免因腐蝕原因導致的安全事件發生。