核電廠消防水系統管道腐蝕管理方式優化分析

臺山核電合營有限公司 付俊偉

在核電廠運行過程中消防水系統管道腐蝕是一個避不開的話題，隨著電廠運行時間的延長腐蝕問題變得加突出，近幾年各基地偶有發生，對電廠安全穩定運行帶來了一些困擾，群廠專項小組也在重點關注這一共性問題，目前還沒有找到徹底解決方案。

1 核電廠消防水系統管道所存在的腐蝕問題

當前我國大部分核電廠消防水系統管道都選擇了碳鋼或鍍鋅碳鋼作為主要材質，而埋入地下的管道主要是球墨鑄鐵管，會在周邊添加一定數量的砂漿混合瀝青以達到保護目的。核電廠消防水系統的主要功能是輸送足夠流量和壓力的消防水，在運行過程中消防管網一般是處于靜止和封閉狀態，只有在設備檢修及消防試驗過程中才會讓一些管段出現流動，因此這也讓核電廠消防水系統管道腐蝕監控與管理工作面臨著一定的困難，主要存在以下腐蝕問題。

均勻腐蝕。核電廠消防水系統主要是輸送原水、生活用水或除鹽水，這就導致消防水有著一定數量的NaCl 與O2，其腐蝕性相對較強，會對碳鋼管道內部產生均勻的腐蝕。由于消防管道是一個封閉性較高的系統，無法從大氣中獲得足夠的氧氣供給，在發生腐蝕后管道內部的氧氣含量會逐漸減少，因此均勻腐蝕給消防水系統管道所帶來的腐蝕效果相對較為有限，并不會向管道深處發展，也不會嚴重損害消防水系統管道的完整性。

電偶腐蝕。核電廠消防水系統中主要包含了不銹鋼及碳鋼兩種電偶，一般碳鋼會在不銹鋼和碳鋼直接連接處產生最大的腐蝕傾向，應當重點關注這一部位，特別是消防水泵進出口接管產生腐蝕情況的概率相對較高，主要是由于消防水泵采取了高耐蝕合金作為殼體與葉輪的材料，而接管則主要是碳鋼，在水泵不斷啟動時勢必會讓碳鋼管道面臨著加速腐蝕。

微生物腐蝕。根據GB/T14643.5標準中的相關要求對某核電廠消防水進行檢測，得知消防水中有一定數量的鐵細菌（水樣一8.0cfu/mL、水樣二2.0cfu/mL）及硫酸鹽還原菌（水樣一未檢出、水樣二1.7cfu/mL）。由于核電廠消防水系統中是以原水為主要介質，消防水泵前后段的消防水管會因為補水操作而吸入一定量的氧氣，這讓鐵細菌有了良好生存條件，加之環網段或末端管道大部分時間都處在封閉性狀態，缺氧環境讓硫酸鹽還原菌這類厭氧性細菌具備一定的生存條件。消防水系統管道微生物腐蝕主要指的是微生物腐蝕細菌在金屬氧化過程中成功獲取一定能量，并生成相應的代謝物，實現對微觀環境的改變，這樣管道就會受到不同程度的腐蝕。

管瘤腐蝕。核電廠消防水系統中包含淡水系統，其碳鋼管道很容易產生管瘤腐蝕，主要有微生物繁殖、水生物附著、消防水淤泥沉積及水生物腐蝕產物等方面的來源。整個管瘤腐蝕中Fe（OH）3、硅酸鹽、碳酸鹽及部分碎石泥沙組成了最外層的瘤皮，之下便是Fe（OH）3與Fe3O4組成的瘤殼，成功劃分了內外部的實際氧含量高低。Fe（OH）3是一種性能上佳的導體，能讓腐蝕面出現的電子以瘤殼為載體和外部環境的氧氣產生陰極反應，進而生成相應的氫氧根離子[1]。在瘤殼下則分別是瘤核與金屬面，其中金屬面是出現腐蝕反應的關鍵部位。一般核電廠消防水系統管道的垢下是產生管瘤腐蝕的核心部位，如若未能及時采取措施進行處理，就會逐步擴散至整個管道，嚴重危害管道的整體性能（圖1）。

圖1 管瘤腐蝕具體樣貌

埋地腐蝕、穿墻處腐蝕、水質惡化后的腐蝕。埋地腐蝕主要指的是埋地管道出現了腐蝕，包括管線外腐蝕以及管線內壁腐蝕，其中管線外腐蝕的主要成因是防腐層失效或被破壞、雜散電流沖擊、土壤應力影響等，管線內壁腐蝕的主要成因是化學反應影響、油砂沖蝕等。穿墻處腐蝕指的是核電廠消防水系統管道穿越墻體的部位出現了腐蝕，一般是因為墻體對管道的應力分布不均、墻體中存在著眾多腐蝕性的微生物等。水質惡化后的腐蝕主要指的是核電廠消防水質因為受到外部環境的影響而產生惡化，并作用于管壁，導致管壁的銷蝕變薄，引發不必要的水能消耗。

2 核電廠消防水系統管道監測評估方式

2.1 腐蝕評估

核電廠消防水系統管道有著相對較為復雜的設計與布置，管道會因為區域、管徑、工況的不同，在腐蝕性、維修難度、監管難度等方面的存在著較大的差異。故而在對核電廠消防水系統管道進行腐蝕監測前，應當制定合理的管道分級原則，根據不同消防管道的基本特征來進行分級管理，有針對性地采取相契合處理方式，確保部分腐蝕性較高、維修難度較高的管道能夠得到妥善的處置。

一般分級管理可根據三個維度進行：腐蝕敏感性、維修難度以及抗震性。其中消防水的腐蝕敏感性由其流動頻繁性所決定，主要有不流動、低間歇流動、高間歇流動及連續流動四個等級，流動越頻繁消防水的腐蝕敏感性也就越高；維修難度主要是根據管道的高度、埋地深度、是否處于紅橙區、是否具備可隔離性等進行判定；抗震性則是基于系統既定的設計標準進行判定。

2.2 腐蝕監測

核電廠消防水系統管道腐蝕問題無法從根本上避免，因此為確保消防水系統管道能夠正常運行，須定期對其進行腐蝕監測。因為管道內部基本沒有檢查窗口，加之大部分管線有著較長的距離，管道有著較為復雜的設計與布置，通過內部檢查所得出的結果不能夠正確判定管道腐蝕的具體程度。所以應在管道穿孔情況出現前主動進行預防性厚度測試，常用的方式便是超聲導波檢測[2]。

技術人員通過超聲導波可以完成對管道的初步排查，一般是使用磁致伸縮超聲導波測厚這一方式，導波在管道中會呈現出扭力波、縱波以及彎曲波這三種狀態，其中扭力波的傳播范圍較為狹窄，僅局限于固體，且當導波頻率產生變化后扭力波也不會出現聲速的變化，因此技術人員可以對扭力波進行分析，進而得出較為準確的管道檢測結果。

具體檢測原理主要是，探頭陣列會將一束超聲能量脈沖發射至所有管道壁厚中，在傳播時如若遭遇了管道橫截面積變化時，導播信號就會出現散射、反射等情況，這樣一來不同傳感器就會接受到反射回來的能量，技術人員只需要對能量進行深入分析就能夠了解到管道產生缺陷的具體情況。并且按照缺陷所生成附加波形轉換信號，就能夠正確識別支撐、環焊縫這類管道特征信號和缺陷信號。

渦流檢測也是檢測管道腐蝕的一種常用方法，其原理主要是讓所發射的線圈通過一定頻率的正弦交變變流時，會在空間中發射出既定波長的周期性交變磁場，這一磁場會讓導電金屬材料內出現渦流并形成渦流場，進而產生相應的二次磁場，這樣一來金屬表面就會密集分布渦流場，而沿縱向深度迅速衰減的現象被稱之為趨膚效應，這一效應是管道腐蝕檢測的關鍵因素。當金屬表層產生了裂紋、腐蝕凹坑這類不規則缺陷，那么就會對感應渦流的強度以及流向產生不同的影響，二次磁場就會在幅值以及方向等方面產生變化。一般來說其中的巨磁阻磁敏芯片（GMR）對絕對磁場B 的變化相對較為敏感，因此工作人員可以利用這一特性將GMR 芯片設計成傳感器，以此來對管道缺陷擾動信號進行有效的提取。

漏磁檢測主要是在管線中的檢測裝置受到前后壓力差的影響而運動，管道壁內側設置有永磁裝置，此時磁力線會經過管壁形成一個閉合回路，如若檢測管道側壁并未出現金屬缺陷現象，那么磁力線就會在管壁內集中，通過環形管壁形成相應的閉合回路。如若所檢測的管線暴露出了缺陷型金屬流失情況，那么管道內部的磁力線就會在走向以及分布等方面出現變化，這樣一來就會泄露一定數量的磁力線，此時傳感器就會檢測到漏磁所引發的磁場變化，并對這類數據信息進行記錄與儲存，之后再通過分析與處理得出管線缺陷的大小尺寸，進而實現對管道腐蝕情況的有效檢測。

上述檢測都屬于無損檢測方式，檢測過程對管道本身無影響，也不會加重腐蝕，在現場具有可執行性[3]。

3 核電廠消防水系統管道腐蝕管理策略

因為核電廠消防水系統有著相對復雜的管道設計與布置，因此技術人員應當綜合考慮到具體運行環境來選擇相契合的防腐工藝以及管理方式。

管道更換。直接更換管道是最為直接的管道腐蝕管理策略，通過管道定期測厚操作，會設定出某壁厚的最小要求值，如若壁厚降低幅度即將超出這一要求值，那么就必須對現有的管道進行更換，避免管道出現穿孔失效或抗震性降低等情況。這一管理手段存在著一定的弊端，主要是因為更換管道會耗費大量的時間與精力，且難度相對較大，特別是難以合理安排上游管道的更換窗口。

材質升級。核電廠消防水系統管道大都是以碳鋼為原材料，有著相對較弱的耐蝕性，因此技術人員可以對原有的材質進行升級，選擇不銹鋼材質，有效迎合核電廠消防水系統不同工況下對腐蝕、沖刷、防護等方面的需求。但需要注意的是，在進行材質升級的過程中不能夠讓海水滲入到消防水之中，否則就會讓介質中有著較高的氯離子濃度，這樣一來不銹鋼材質也會產生局部腐蝕的情況。

定期巡視檢查，制定管道腐蝕管理計劃。核電廠可以把消防水系統管道納入到金屬監督大綱之中，根據既定的程序進行管理，采取超聲導波開展初步排查工作，針對所存在的異常信號進行常規測厚以及超聲相控陣檢查。在消防水系統運行過程中，相關人員定期巡視檢查消防水系統管道，當監測到腐蝕減薄、強度下降之后，應當組織專業的技術人員對管道進行維修。如若出現了穿孔、泄漏、斷裂這類異常情況，應當嚴格按照既定的應急處理方案中要求進行處理，以此來確保消防水系統的正常運行。同時還要根據消防水系統管道設計文件中的要求，提前組織好一定數量的焊接人員，選擇適當的焊接工藝，并做好備件采購工作，以此來確保出現突發現象時及時進行維修或更換。

埋地布置方式調整。針對埋地管道可能出現的腐蝕情況，一是盡可能減少埋地管道布置，將埋地管道改為地面管道或者管廊內管道；二是對必須埋地布置的管道，應當根據具體排流需求來明確管道陽極組的具體位置、不需要均勻分布，而在雜散電流較為強烈的區域則應當采取單支分裂方式[4]。哪怕在雜散電流較弱的區域，考慮到未來可能的變化，在條件允許的情況下每組也不宜超過2支。

水質改善。對核電廠消防水系統管道中的水質進行適當的改善，最大化地降低其對管道的腐蝕性，主要采取原水、生活用水水源改為除鹽水水源，消防水池水質監測與更換，消防水池表面材料升級、定期排放管道里的污水，沖洗管道雜質，定期試驗時延長放水時間等方式來改善消防水水質，以提升核電廠消防水系統管道腐蝕管理效果。

4 結語

核電廠消防水系統管道很容易出現腐蝕問題，如若未能及時采取措施進行處理，那么就會嚴重影響消防水系統的正常運行。因此技術人員要明確核電廠消防水系統管道常見的腐蝕情況，有針對性地選擇合理的檢測與管理方式，這樣才能夠最大化地降低管道腐蝕所帶來的不利影響，為核電廠安全穩定運行創造消防安全條件。