濱海核電廠不銹鋼管道腐蝕原因分析

葉鳴鈞 邊春華 劉洪群 鄭福亮

（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

國內核電廠均建設在沿海地帶，受海洋大氣環境腐蝕，核電廠部分管線采用不銹鋼管線。某核電廠不銹鋼管線表面出現了點蝕，影響管線的正常運行。

本文根據對現場調研，并對樣品進行試驗分析，給出了不銹鋼管線腐蝕原因分析及建議。

1 試驗分析

1.1 腐蝕形貌宏觀分析

通過對某核電廠不銹鋼管線現場腐蝕檢查發現，不銹鋼管線表面涂裝有涂層，在焊縫和部分管道位置表面發現點蝕，如圖1所示。

1.2 管道材質分析

采用NITON XLt898W便攜式合金分析儀對割下管道進行光譜分析，成分如表1所示。管道材質符合06Cr17Ni12Mo2或022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的合金成分組成。

表1 材質化學成分分析結果

1.3 管道現場金相檢驗

對管道采用現場覆膜金相檢驗，如圖2所示，金相組織為奧氏體+孿晶，未見明顯異常。

2 腐蝕原因分析

2.1 環境分析

該不銹鋼管線所處環境為海洋大氣環境，海洋大氣環境是指在海平面以上由于海水的蒸發，形成含有大量鹽分的大氣環境[1]。此種大氣中鹽霧含量較高，對金屬有很強的腐蝕作用。與浸于海水中的鋼鐵腐蝕不同，海洋大氣腐蝕同其它環境中的大氣腐蝕一樣是由于潮濕的氣體在物體表面形成一個薄水膜而引起的。這種腐蝕大多發生在海上的船只、海上平臺以及沿岸設施上。普通碳鋼在海洋大氣中的腐蝕比沙漠大氣中大50～100倍[2]。海洋大氣中相對濕度較大，同時由于海水飛沫中含有氯離子，往往會對金屬材料產生嚴重的腐蝕。因此，海洋大氣中的金屬材料表面很容易形成有腐蝕性的水膜，并且水膜中含氧非常豐富。薄水膜對金屬材料作用而發生大氣腐蝕的過程，符合電解質中電化學腐蝕的規律。空氣中所含雜質對大氣腐蝕影響很大，海洋大氣中富含大量的海鹽，這些海鹽雜質溶于金屬材料表面的水膜中，使這層水膜變為腐蝕性很強的電解質，加速了腐蝕的進行，與干凈大氣的凝結水膜相比，被海霧周期飽和的空氣能使鋼的腐蝕速度增加8倍[3]。

2.2 涂層老化

不銹鋼管道表面涂裝涂料，形成一道保護涂層，能阻止海洋大氣和不銹鋼基體接觸。但是，隨服役時間的延長，涂層在日照、紫外線、溫差變化等作用下，會發生老化，出現失光褪色、粉化、開裂、破損、鼓包等缺陷，缺陷部位的涂層一旦發生破損，便會導致海洋大氣直接和不銹鋼接觸，從而引起腐蝕[4]。

2.3 腐蝕機理分析

海洋大氣環境具有高鹽分、高濕度、干濕循環等特點。海洋大氣有相當高的濕度，不銹鋼管道在水蒸氣的毛細作用、吸附和凝結的共同作用下在管道表面形成一層肉眼看不見的水膜，水膜中含有硫酸鹽和氯化鈉等鹽類，成為強電解質。

含有Cl-的水膜在不銹鋼管道表面富集，導致不銹鋼管道發生點蝕。點蝕坑表面被腐蝕產物覆蓋，呈現閉口狀。孔口直徑通常等于或小于孔深，蝕坑剖面形貌主要為楔形窄而深形、橢圓形長圓形以及盤蝶形寬淺形等類型。

不銹鋼的點蝕主要經歷以下幾個過程：（1）亞穩蝕孔萌生；（2）亞穩蝕孔轉變為穩態蝕孔或發生再鈍化；（3）穩態蝕孔發展。點蝕萌生的實質是不銹鋼表面的鈍化膜受到Cl-的作用，從而造成局部破壞。在不銹鋼表面萌生的大量亞穩態蝕孔中，大多數亞穩蝕孔都會重新鈍化，少量亞穩態蝕孔可以轉變為穩態蝕孔。當穩態蝕孔形成后，活性溶解的蝕孔底部可以看作陽極，處于鈍化階段的不銹鋼表面可以看作陰極，由于活性溶解區域的面積遠小于鈍化區的面積，因此形成了大陰極小陽極的活化-鈍化電池，從而加速了蝕孔底部金屬的活性溶解。

腐蝕產物不斷在不銹鋼表面蝕孔處積累，形成鐵紅色產物。同時，由于腐蝕產物的堆積，蝕孔內外傳質過程速率下降，而且蝕孔內陰極反應的發生導致蝕孔內氧濃度低于孔外介質中氧濃度，因此形成氧濃差電池，進一步加速蝕孔內金屬的活性溶解。活性溶解的金屬發生如反應(6)的水解反應，產生大量H+，為了保持蝕孔內環境的電中性，Cl-會不斷的向蝕孔內遷移，蝕孔內Cl-濃度的提高。較高的Cl-發生活化作用進一步加速蝕孔底部的活性溶解，點蝕穩定生長。

2.4 不銹鋼點蝕影響因素

2.4.1 溫度

該不銹鋼管道所在電廠海域為東海，屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.1℃，最高月平均氣溫為29.9℃，年平均濕度為81%，潮濕系數為0.72。該海域夏季溫度較高，濕度較大。劉學慶[5]關于溫度對海洋鋼結構腐蝕影響的研究表明，在一般情況下，溫度升高使化學反應速度增加，加重腐蝕，但對于一些板材來說溫度升高反應速度可能降低，溶解氧的濃度也是一項影響腐蝕的因素，溫度升高溶解氧含量減少，腐蝕減緩。在一般的干大氣環境中，由于濕度很低，低于金屬的臨界濕度，溫度對腐蝕的影響不是很明顯。而對于近海大氣這種濕度很高的環境，環境濕度往往大于或接近金屬的露點溫度，此時溫度升高金屬腐蝕加重。

2.4.2 Cl-濃度

Cl-是一種腐蝕加速劑，對不銹鋼的點蝕有很大影響。近海濕度高，使金屬表面存在一層水膜，水膜中含有許多離子形成強電解液，氯離子的存在增加了導電性，隨著氯離子的增多海水的腐蝕越來越嚴重。氯離子能破壞鋼結構表面的氧化膜，并能和金屬離子水解產生絡合物，后者能產生氫離子，使得腐蝕更加嚴重。

2.4.3 干濕交替

四季交替晝夜變化使核電廠不銹鋼管道長期處于干濕交替的環境中，劉剛[6]等人研究了濱海電廠腐蝕，指出干濕交替影響鋼結構表面的鹽濃度從而影響腐蝕速率。日照時間過長將導致金屬表面水膜的消失，降低表面的潤濕時間，腐蝕總量減小。另外降雨、風速對金屬表面液膜的干濕交替頻率也有一定的影響。在海洋大氣區金屬表面常會有真菌和霉菌沉積，這樣由于它保持了表面的水分，影響了干濕交替的頻率，從而增強了環境介質的腐蝕性。

3 改進措施與建議

3.1 涂層修復

M.Oosterbroek等研究了涂層的老化規律，晝夜溫差變化引起的張力變化會導致涂層發生開裂，同時紫外線對涂層老化有一定影響[7]。因此，建議定期對管道表面涂層進行檢查，及時修復缺陷涂層。涂層修復或者新管道涂裝時，選擇抗張力性能和紫外線性能較好的涂層。

3.2 材料替代

Cr、Mo、N等元素能大大提高不銹鋼的耐點蝕性能，為了提高不銹鋼的鈍化和再鈍化能力，選用高Cr、Mo、N含量的奧氏體、奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼替代該不銹鋼管道。在經過論證可用的前提下，還可以選用高分子材料替代該不銹鋼材料。

4 結語

濱海核電廠使用了大量的不銹鋼管道輸送流體，一旦不銹鋼管道發生腐蝕穿孔，將影響管道的正常運行及設備人員安全，因此應重視不銹鋼管道的腐蝕管理，從管道設計到服役階段，均應進行腐蝕分析，避免因不銹鋼管道腐蝕導致的安全事件發生。