某核電廠循環水系統海水蝶閥腐蝕分析與對策

賈斌斌 黃 皓 韓 健 張樹剛 關銀柏

（1. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2. 臺山核電合營有限公司，廣東 江門 529227）

0 引言

某核電廠首次大修期間，檢查發現循環水系統海水隔離蝶閥腐蝕嚴重，蝶板和閥腔內部本體多處涂層鼓泡、破損，涂層破損部位腐蝕產物堆積，多處存在腐蝕坑，軸套部位較深一處腐蝕坑深9.5mm；蝶閥與襯膠短管連接部位法蘭密封面銹蝕嚴重，縫隙堆積腐蝕產物，清除腐蝕產物后露出金屬基體無金屬光澤，發生石墨化[1-3]。蝶閥腐蝕情況如圖1所示。

圖1 蝶閥腐蝕情況

2 腐蝕原因分析

蝶閥接觸海水部件中，蝶板和閥體為STQNiCr鎳鉻合金鑄鐵，涂裝重防腐涂料（底漆H06-5，面漆ZF101），閥體密封圈和密封橡膠調節壓板為316不銹鋼，采用316不銹鋼螺栓與蝶板和閥體連接。通過設計審查、工程安裝歷史情況跟蹤和現場核實分析，蝶閥腐蝕原因主要有以下幾個方面：

（1）涂裝質量差

閥體內腔及蝶板直接與海水接觸，涂裝H06-5+ZF101重防腐涂料。在運輸及安裝過程中或對涂層造成了破壞，閥門安裝完成后對破壞涂層局部修補，修補涂層附著力差、易分層，運行情況下隨著時間延長會發生涂層脫落和鼓泡，當STQNiCr金屬基體（Ni和Cr含量低， STQNiCr元素化學成分如表1所示）與海水接觸時，會發生腐蝕[4-6]。防腐蝕設計時雖然考慮了海水環境中使用重防腐涂料，但未考慮涂層破損后的極端情況，未采用海水環境中涂層+陰極保護最優組合防腐蝕措施[7,8]；

表1 鑄鐵STQNiCr元素化學成分

（2）電偶腐蝕

蝶板密封圈為316材質，閥體與蝶板（內板）為STQNiCr，鑄鐵在海水中電位為-0.36V，316在海水中（鈍態）電位+0.20V，兩者之間構成電位差[9]，涂層破壞部位發生電偶腐蝕，對腐蝕缺陷的產生起到加速作用；

（3）結構縫隙

因閥門和閥門連接短管為不同廠家供貨，安裝結構上存在偏差。閥門法蘭密封面無涂層，襯膠短管密封面部位有倒角，導致安裝完成后閥體法蘭密封面暴露在海水中，且形成縫隙結構，閥門法蘭密封面發生均勻腐蝕和縫隙腐蝕[10]，蝶閥與襯膠短管安裝結構如圖2所示。

圖2 蝶閥與襯膠短管安裝結構示意圖

3 防腐改進方案

3.1 防腐維修

原有涂層部位采用動力工具進行表面處理，涂裝耐陰極剝離的Interzone 954重防腐涂料，厚度要求300μm以上[11]。法蘭密封面采用陶瓷涂料進行密封和填補。

3.2 加裝犧牲陽極

為確保長效防腐措施，本次處理加裝了犧牲陽極，在涂層破損的情況下，提供額外的保護，同時，也可保護閥門的不銹鋼部件[12]。

（1）犧牲陽極設計

犧牲陽極設計保護對象為蝶板、閥體、裸露在外的不銹鋼部件，圖3紅色線條區域所示為犧牲陽極保護范圍。閥軸等不直接暴露在海水中，但可能滲入海水的部件，由于屏蔽效應[13-15]，犧牲陽極陰極保護系統無法提供保護，不在本設計保護范圍內。

圖3 犧牲陽極保護范圍示意圖

根據計算現場安裝4只A2型（Al-Zn-In-Mg-Ti）400×（115+135）×130mm規格鋁合金犧牲陽極可對閥門起到陰極保護效果，設計壽命6.2年[16,17]。為降低對管道內流體狀態影響，犧牲陽極安裝于與閥軸同水平位置，被保護設備與犧牲陽極需要電連接導通，在管道外部設置跨接線確保電連續性；

（2）犧牲陽極受力計算

正常工況下，管道內充滿常溫海水，溫度范圍為13.3～33℃，流量不超過27m3/s。在一個換料周期內，犧牲陽極的服役環境基本保持不變。

蝶閥上下游管道流場建模過程時，考慮閥門的節流作用產生壓損，閥后的壓力會降低，故閥前犧牲陽極服役條件相對閥后更惡劣。因此本次分析中僅對閥前管道中犧牲陽極以及附近的流場開展計算流體力學仿真分析。且根據設計文件，由于閥前管道中的兩個犧牲陽極為水平對稱布置，為提高計算效率、降低計算工作量，本次分析僅建立半個管道及單個犧牲陽極。根據犧牲陽極在管道中的支撐結構和布置特性，流體通過支撐結構產生的繞流對犧牲陽極的作用有限，故在流體力學仿真分析中實際建模中未將其建出[18,19]。最終建立的半個管道分析模型流體區域如圖4所示。

圖4 分析模型流體區域示意圖

強度校核準則參考《機械設計師手冊》[20]，一般受力角焊縫應力強度應滿足如下公式：

其中fσ為垂直于焊縫方向作用力在焊縫有效截面上產生的平均應力。fτ為平行于焊縫方向作用力在焊縫有效截面上產生的平均剪應力。fβ為強度設計值提高系數，對承受靜力荷載或間接動力荷載的結構取1.22，對直接承受動力荷載的結構取1.0。為角焊縫設計強度值。在后續計算中，βf取值為1.22。參考《機械設計師手冊》，取值為160MPa。

首先通過流體分析確定犧牲陽極附近的流場情況，然后將流體對犧牲陽極的沖擊作用以壓力形式施加在犧牲陽極結構上，同時考慮結構自重，計算犧牲陽極區域應力分析情況，校核相關位置的應力強度，流場犧牲陽極應力強度計算結果如圖5所示。

圖5 流場犧牲陽極應力強度計算結果

最終計算結果如下：

（1）螺栓與底板連接處角焊縫應力強度最大值為9.14MPa，遠小于焊接材料的屈服強度（177MPa）；角焊縫有效截面強度滿足機械設計規范要求；

（2）底板與管壁連接處角焊縫應力強度最大值為2.92MPa，遠小于焊接材料的屈服強度（177MPa）；角焊縫有效截面強度滿足機械設計規范要求；

（3）螺栓應力強度最大值為41.6MPa，遠小于螺栓材料的屈服強度（177MPa）。

4 總結與反饋

（1）本案例蝶閥與連接短管為不同廠家供貨，未考慮相互配合問題，導致結構縫隙產生，同時無防腐措施的密封面直接與海水接觸導致腐蝕發生，建議電廠工程建設階段做好防腐蝕設計審查，避免類似問題發生；

（2）海水環境下設備單純的采取涂層涂裝方式無法形成有效的腐蝕防護，仍面臨腐蝕風險，應采用重防腐涂料+犧牲陽極（陰極保護）聯合的保護方式，保證海水環境中服役設備的長效防腐。