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(yùn)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(tǒng)是核電廠防火系統(tǒng)的主要組成部分，是核電廠重要的安全保障系統(tǒng),一旦消防水系統(tǒng)失效，必將對(duì)核電廠火災(zāi)事故的預(yù)防產(chǎn)生重大影響，威脅核安全。

國(guó)內(nèi)某核電廠消防氣壓供水系統(tǒng)的消防水箱在運(yùn)行9年以后發(fā)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(bǔ)充水源。根據(jù)竣工圖，水箱為全焊接形式，箱底和箱壁均為304不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)壁無(wú)防腐措施，壁厚為6mm。

本文就消防水箱腐蝕穿孔原因進(jìn)行了分析，對(duì)新建、在建核電廠消防水箱設(shè)計(jì)、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(jù)消防水箱質(zhì)量證明書，水箱底板為對(duì)接拼焊形式，焊條牌號(hào)為H00Cr21Ni10，壁板和底板的焊接為角接焊，焊條牌號(hào)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(xué)成分和母材化學(xué)成分比較接近，具有相似的耐蝕性和膨脹系數(shù)，均適用于304不銹鋼焊接，因此焊材選擇沒(méi)有問(wèn)題。

1.2 介質(zhì)分析

消防水箱內(nèi)部介質(zhì)為生活飲用水，水質(zhì)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(huì)破壞不銹鋼材料表面的鈍化膜，從而引起不銹鋼發(fā)生腐蝕[1]。

1.3 泄漏原因分析

（1）Cl-導(dǎo)致發(fā)生點(diǎn)蝕

生活飲用水中的Cl-會(huì)破壞304不銹鋼表面的鈍化膜，而形成點(diǎn)蝕源[2]。點(diǎn)蝕源一旦形成，局部會(huì)存在蝕孔，孔內(nèi)的表面就處于活性溶解狀態(tài)，電位較負(fù)，成為陽(yáng)極；蝕孔外的金屬表面仍處于鈍態(tài)，電位較正，成為陰極。于是，蝕孔內(nèi)部和外部構(gòu)成了一個(gè)活化-鈍化的微電偶腐蝕電池。此電池具有大陰極、小陽(yáng)極面積比的結(jié)構(gòu)，所以陽(yáng)極溶解速度很大，蝕孔向深處發(fā)展很快，而金屬鈍化表面受到保護(hù)，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(huì)導(dǎo)致局部的鈍化膜易于受到Cl-的破壞而形成點(diǎn)蝕；

圖2 點(diǎn)蝕機(jī)理示意圖

表1 消防水箱和焊條材料的化學(xué)成分

（2）焊縫殘余應(yīng)力引起應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是304不銹鋼失效中最常見(jiàn)、危害也最大的一種缺陷[3]。應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生與發(fā)展需要材料具有拉應(yīng)力與特殊介質(zhì)（活性陰離子，尤其是Cl-）這兩個(gè)基本條件。消防水箱的304不銹鋼板拼焊過(guò)程中不可避免存在著殘余拉應(yīng)力，并且水箱較大，內(nèi)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(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力；生活引用水中含有大量的Cl-，構(gòu)成了環(huán)境因素；拉應(yīng)力和Cl-共同作用極易導(dǎo)致消防水箱底部焊縫發(fā)生應(yīng)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(shí)晶粒邊界會(huì)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(huì)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(zhǎng)區(qū)域的鉻含量大大下降，形成貧鉻區(qū)[4,5]。不銹鋼焊接時(shí)，熱過(guò)程較短，線能量不斷增加，晶粒本體的鉻原子來(lái)不及充分向貧鉻區(qū)擴(kuò)散補(bǔ)充，溫度下降后，貧鉻區(qū)得以保持。消防水箱服役過(guò)程中，不銹鋼焊縫接觸到內(nèi)部生活飲用水時(shí)，貧鉻區(qū)的溶解速度會(huì)大大超過(guò)晶粒本身，會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕；

表2 消防水箱介質(zhì)水質(zhì)

（4）水箱底部及底部與箱壁連接處易積垢導(dǎo)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(zhì)量可能較差，存在錯(cuò)邊、咬邊或未焊透等缺陷，造成焊縫處存在細(xì)微縫隙。而水箱上游生活飲用水管道為碳鋼材質(zhì)，其腐蝕產(chǎn)物會(huì)隨補(bǔ)水進(jìn)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(dǎo)致縫隙腐蝕。

2 解決措施及建議

2.1 介質(zhì)控制

消防水箱不銹鋼焊縫處的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等腐蝕問(wèn)題，生活飲用水中的Cl-是關(guān)鍵環(huán)境因素。可考慮控制介質(zhì)中的Cl-，從而避免發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕。

2.2 電化學(xué)拋光

對(duì)消防水箱不銹鋼焊縫處進(jìn)行電化學(xué)拋光鈍化，利用不銹鋼在電解液中的選擇性陽(yáng)極溶解而達(dá)到降低粗糙度，增加表面均一性，同時(shí)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(huán)境反應(yīng)活性下降，聚積Cl-等危險(xiǎn)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(qiáng)。

2.3 內(nèi)表面涂裝

對(duì)消防水箱內(nèi)表面進(jìn)行涂裝，在304不銹鋼基體表面和內(nèi)部介質(zhì)之間建立一道人工屏障來(lái)阻止和延緩不銹鋼腐蝕和破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

消防水箱作為核電廠消防系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，直接影響核電廠的消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此該系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定性應(yīng)得到重視，尤其消防相關(guān)設(shè)備的腐蝕設(shè)計(jì)、施工和防腐管理，避免因腐蝕原因?qū)е碌陌踩录l(fā)生。