核電廠循環冷卻水系統熱交換器海水側腐蝕機理與防護

彭可馨 袁 驪 江 鋒

（1. 中核武漢核電運行技術股份有限公司浙江分公司，浙江 海鹽 314300；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核電廠循環冷卻水系統為核電廠反應堆廠房、輔助廠房、汽輪機廠房等多個系統和設備的熱交換器提供高質量的冷卻水，而循環冷卻水系統的熱量則通過循環冷卻水系統熱交換器由海水帶走。因此，循環冷卻水系統熱交換器的穩定運行對整個電廠的安全、穩定運行具有重要作用。

國內某核電廠每臺機組設有4臺循環冷卻水系統熱交換器，熱交換器由殼側筒體、管側水室、管板及傳熱管束四大部分構成。殼側介質為除鹽水，管側介質為海水，通過管側海水對殼側除鹽水進行冷卻。

1 腐蝕機理

1.1 管側水室腐蝕機理

該電廠循環冷卻水系統熱交換器海水側水室材質為碳鋼，容易受到沖刷腐蝕，此外還會發生電偶腐蝕、化學腐蝕等。其中，沖刷腐蝕是水室降質最主要的影響因素，與沖刷腐蝕直接有關的因素有流速、流型（流動狀態）、表面膜和第二相[1,2]。

（1）流速。熱交換器的啟停關系到流速的變化，在這期間容易發生沖刷腐蝕。某核電廠早期運行期間發生過因流速較大而對管板及表面襯膠造成較為嚴重沖刷腐蝕的案例，充分說明流速與沖刷腐蝕速度相關；

（2）流型。流型不僅取決于流體的流速，而且與流體的物性有關，也與設備內部的幾何形狀有關。從水室進入下游管道時，管徑發生了變化，水室靠近管口處也容易發生沖刷腐蝕；

（3）表面膜。材料表面與介質接觸后生成的保護膜。對碳鋼而言，隨流速增大，從層流到湍流，表面腐蝕產物膜的沉積、生長和剝離對腐蝕均起著重要作用。從水室進入下游管道，管徑發生了變化，流速加快，腐蝕產物膜難以沉積，因而水室靠近管口處容易發生沖刷腐蝕；

（4）第二相。核電廠用于冷卻的海水泥沙含量大，水中的固體顆粒的存在進一步加速了材料腐蝕過程。電廠個別水室內壁金屬基體上發現局部有淺坑的存在，若基體不加防護直接暴露在泥沙含量較高的海水中，基體材料將會持續受到固液兩相的沖刷腐蝕，日積月累將造成容器內壁減薄。另外，海生物附著在蝕坑上會形成氧濃差，從而加速腐蝕進程，局部位置甚至可能會在短時間內發生穿孔。

1.2 管板腐蝕機理

水室管板材質為純鈦板，通過管板將殼側筒體和管側水室隔離開，管板的完整性對二回路和三回路的分離至關重要。

在水室流體進入鈦管過程中，流體從大管徑轉到小管徑的過渡區容易形成湍流。受到湍流沖刷腐蝕的金屬表面常常呈現深谷或馬蹄形的凹槽，一般按流體的流動方向切入金屬表面層，腐蝕凹槽光滑沒有腐蝕產物，因而距離管口位置較近的管板容易發生湍流腐蝕，如圖1所示。

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圖1 管板沖刷腐蝕形貌

1.3 傳熱管腐蝕機理

循環冷卻水系統熱交換器材質為美國ASTM B338標準要求的2級有縫焊接鈦管，等同于我國牌號為TA1級工業純鈦管。管殼式換熱器入口管端的“進口管腐蝕”為典型的由湍流引起的沖刷腐蝕。由于流體從大管徑突然流入小管徑，介質的流型改變而引起湍流中的嚴重腐蝕，如圖2所示。

圖2 管口沖刷腐蝕形貌

2 防護方案

該核電廠對循環冷卻水系統熱交換器海水側水室內壁金屬使用的防腐蝕保護方法是襯膠保護法、涂層保護法。

2.1 水室內壁防護方案

循環冷卻水系統熱交換器自投用以來共采用過三種方法對水室內壁進行保護。第一種為氯丁橡膠（CR），因效果差已不使用；第二種為由自硫化溴化丁基膠板與預硫化溴化丁基膠板搭配構成的復合襯膠（以下簡稱為“復合橡膠（BIIR）”）；第三種為高固態環氧涂層。

（1）襯膠保護

水室內部常見的保護材料是復合橡膠。襯膠防護層由兩層橡膠板構成，底層為自硫化溴化丁基膠板，面層為預硫化溴化丁基膠板。

復合橡膠使用過程中存在局部破損，通常在復合橡膠表面使用高固態環氧涂層進行保護,延長襯膠使用壽命。熱交換器運行期間會產生振動，襯里因而受到張力，涂層延展性較差，檢查發現涂層局部出現小區域剝落現象，但涂層下方襯膠未見劣化；

高固態環氧涂層具有防腐蝕性能優異、粘接強度高、化學穩定性能好等特點。與橡膠襯里相比，涂層襯里施工及維護成本更低，降低約30%。

2.2 管板防護方案

為避免管板受到沖刷腐蝕，對管板表面涂覆高固態環氧涂層，根據歷次檢查發現保護效果較好，維修方便，成本低，如圖5所示。

2.3 傳熱管防護方案

降低腐蝕程度的最佳方法是正確選材。鈦在海水和許多氯化物水溶液中有優良的耐腐蝕性，其疲勞性能實質上不受環境影響[3]。圖6為工業純鈦和中等強度近α鈦合金Ti5111在空氣和海水疲勞腐蝕擴展速度趨勢的對比圖，可見工業純鈦抗海水疲勞腐蝕性能更令人滿意。

圖6 工業純鈦和中等強度近α鈦合金Ti5111在空氣和海水中疲勞擴展速度趨勢

3 水室多種防護措施有效性評價

核電廠對于循環冷卻水系統熱交換器水室防腐蝕方法一直在探究，從第一種氯丁橡膠（CR）到第二種復合橡膠（BIIR）和第三種高固態環氧涂層。

該核電廠早期使用氯丁橡膠（CR）進行防護，但5年左右出現襯膠老化剝落，掉落的膠條纏繞附著于管板表面甚至造成管板大面積損傷、傳熱管大量穿孔。后改為復合橡膠襯里，使用多年后的襯膠表面附著少量海草，局部淺表面龜裂，但整體性能良好。對比使用5～6年的兩種橡膠襯里性能，相關數據[4]表明復合橡膠整體性能較好，如表1所示。

表1 使用5～6年后橡膠性能對比

核電廠連續多年監測復合橡膠硬度值，8年后襯膠整體趨向硬化，結果均在合格范圍內（如表2所示），性能減弱。根據核電廠相關文獻研究表明每8年更換襯膠性價比最高，因為此時襯膠性能已大幅下降，繼續維護會耗費大量維修成本。

表2 使用8年后復合橡膠性能

使用高固態環氧涂層的水室，在使用8年后涂層局部存在小鼓泡，如圖7所示。初步計算得知涂層年均損耗約為17.5μm（水室內部涂層厚度500μm），涂層局部存在小鼓泡，鼓泡最大直徑約1mm。通過使用濕海綿電火花儀檢測涂層表面，沒有發現漏點涂層完整。一般情況下涂層缺陷多數為機械損傷，使用同類涂料進行修復即可。

圖7 8年后涂層鼓泡形貌

從表3可知，高固態環氧涂層綜合性能優于復合橡膠和氯丁膠，因此建議后續使用高固態環氧涂層對水室內壁進行腐蝕防護。

表3 三種防護措施綜合比較

5 結語

綜上所述，降低循環冷卻水系統熱交換器腐蝕程度可從多方面綜合管控：

（1）根據運行工況、介質種類合理選擇材料包括設備自身材料和保護材料；

（2）制定科學合理的設備制造工藝及材料保護工藝，并與時俱進、不斷優化，提高防腐保護效果；

（3）制定周全細致的檢查大綱，定期對設備不同部位進行腐蝕監測和缺陷處理；

（4）編制適用的流程、方案并不斷改進，使檢查、修復等過程有據可依。