核電站消防水管道的腐蝕及控制方法研究

孫 珂 肖 艷 宋利君

（1. 大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026）

0 引言

核電廠多年運行經驗和現代分析技術證實火災可以對核安全構成直接威脅[1]。防火設施與消防設施是核電廠主體工藝系統之外的重要輔助部分，是核安全設計的重要組成部分。為了確保因火災引起的安全威脅能控制在可接受范圍內，核電站的消防水系統必須保證在電站運行壽命內長期處于有效備用狀態。隨著核電機組運行時間增加，消防水管道的腐蝕問題逐漸凸顯。王水勇[2]等分析了某一核電站消防水管網的腐蝕狀況，對消防水管網進行評估分級，提高腐蝕治理的效率和經濟性。駱云龍[3]等對電站消防水管道內部的腐蝕問題與治理方法進行了分析。消防水管壁減薄、腐蝕產物沉積與堵塞管道將使得消防水系統性能降級，導致核電站的安全性受影響。

本文主要從核電站消防系統水質情況、管道材料和運行方式來分析消防水管道腐蝕的主要原因，研究消防水管道腐蝕的主要影響因素及腐蝕控制方法與措施，對提高核電站消防水管道壽命各種方法的優缺點展開綜合分析。

1 核電站消防管道腐蝕

消防水系統是一個非閉式、高壓系統，當發生火災時，消火栓或自動水消防設施被使用，管網壓力降低，消防泵可以自動啟動。核電站消防水系統管網中消防水是相通的，卻由于管道眾多、分布廣泛、排水試驗周期不同等，造成不同區域、不同功能的消防管道內部腐蝕狀況差異較大[1]。機組運行15年后，有些消防管道腐蝕嚴重，而有些管道仍然完好如新[4]。與一般管道相比，核電系統消防管道的承壓要求高得多，定期進行功能性試驗，管道系統具有長期備用和突發性使用特征。核電站消防水管道的設計與使用壽命遠低于核電機組，并且核電站消防水系統管道的改造難度高于一般市政或工廠消防水管道。

國內外核電機組消防水管道腐蝕的問題逐漸增加，已引起廣泛關注。2017年5月法國Belleville核電廠發生一起INES2級事件，該核電廠對消防水系統管道檢測發現碳鋼材質管道壁厚減薄，已不滿足抗震要求。法國對58臺機組排查，發現有29臺機組存在該共性問題。國內某核電站消防管道腐蝕情況統計顯示，需要立即處理的嚴重腐蝕占5%，無需處理的管道60%[2]。消防水管道外部腐蝕多發生在絲扣連接部位、露天管道、地溝等潮濕區域管道以及消防管道穿墻部位，占所有腐蝕事件的65%。由于外部腐蝕處理技術難度較小，通過合理防腐管理手段可有效降低外部腐蝕的危害。管道內部的腐蝕主要有全面腐蝕、焊縫腐蝕、電偶腐蝕、管瘤腐蝕、微生物腐蝕等，如圖1～圖3所示[4-12]。消防水流動比較頻繁的水泵連接管道的腐蝕發展速度較快，而不流動或少流動的管道腐蝕程度相對較輕，流動性介于流動頻繁和不流動之間的管道腐蝕主要以“腐蝕瘤”為主。管道腐蝕造成管壁厚度減少達不到承壓要求，而腐蝕產物也會堵塞管道，造成消防水管網不可用。

圖1 消防水管道內腐蝕產物

圖2 不銹鋼管道焊接部位的微生物腐蝕

圖3 管道內管瘤腐蝕形貌

2 消防水管道腐蝕主要因素

2.1 管道材料

核電站消防水管道腐蝕與系統材料、水質以及系統運行有關。通常情況核電站消防水管網的埋地管道部分為球墨鑄鐵，閥門、泵的主要材料為不銹鋼，其余管材為碳鋼、鍍鋅無縫鋼管以及不銹鋼，在這些金屬材料中碳鋼的耐蝕性最差。在消防水管網設計中碳鋼和鑄鐵系統幾乎總是考慮它們的腐蝕裕量，以滿足使用壽命中預期的金屬損失量，而這些腐蝕裕量是根據均勻腐蝕的預期水平而定。一般情況下，消防水系統碳鋼、鍍鋅鋼管材料的設計使用壽命為15～20年，遠低于核電站40年或60年的設計壽命。

2.2 管道內水質

2.2.1 溶液pH值

國內外核電站消防水系統使用的水源多種多樣。美國Palo Verde核電站消防水系統早期使用天然湖泊水做水源，發生了嚴重的微生物腐蝕和均勻腐蝕，后改用控制pH約10.5的除鹽水大大降低了管道腐蝕[3]。國內核電站主要采用生活飲用水、除鹽水以及調節pH的除鹽水作為介質。國家標準GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》要求消防水水質的pH在6～9之間，碳鋼管道在這種pH范圍水溶液中的腐蝕速率很難達到與核電站相同的壽命。

圖4所示碳鋼材料的腐蝕速率與溶液pH值之間的關系[6-8]。隨著溶液的pH增加，碳鋼材料的腐蝕速率逐漸降低。在pH小于4的酸性水溶液中，碳鋼的腐蝕速率非常高；在pH值6.5～9的中性溶液中，均勻腐蝕速率大大降低；在pH值大于10的堿性溶液中，均勻腐蝕速率隨著pH增加而降低。在中性pH范圍，水溶液中的氧濃度以及氧在金屬表面的擴散速率是控制腐蝕速率的關鍵步驟。

圖4 pH值對腐蝕速率的影響

2.2.2 溶解氧

核電站消防水系統的水溶液常處于滯留狀態，在滯留水系統中腐蝕反應將消耗閉式系統中的氧氣，隨著系統關閉和氧含量降低，材料的腐蝕速率下降[7]。核電站消防水系統按照一定頻率進行功能性試驗，在試驗過程中引入流動的含氧新鮮水溶液，使得部分碳鋼管道的腐蝕速度加快。

溶解氧對碳鋼材料腐蝕影響，主要是因為氧還原陰極半反應，腐蝕速率隨著氧濃度增加而增加。由圖5可知，在低溫30～600μg·L-1氧濃度條件下腐蝕速率變化不大，且腐蝕速率最小[7]。

圖5 溶解氧對腐蝕速率的影響

2.2.3 其它雜質離子

氯離子也影響著碳鋼和低合金鋼材料的腐蝕。氯離子將增加均勻腐蝕、電偶腐蝕以及局部腐蝕傾向，在有氧存在的情況下，氯離子惡化碳鋼腐蝕。在無濃縮、無大的溫度變化或縫隙或沉積物情況下，水中氯離子濃度小于1000mg/kg，碳鋼材料的應用是安全的[2]。當不銹鋼作為消防水管道材料時，溶液中氯離子、硫酸根濃度過高有引起不銹鋼點蝕的作用。

2.3 微生物

核電站消防水系統滯留水環境為微生物生長提供了有利條件，有的核電機組消防水系統的微生物腐蝕比較嚴重。微生物腐蝕（MIC）是指在微生物活動參與下金屬材料發生的腐蝕。微生物腐蝕并非它本身對金屬的腐蝕作用，而是微生物生命活動的結果間接對金屬的電化學過程產生影響，比如硫酸鹽還原菌引起的腐蝕是電化學腐蝕。微生物可以影響銅合金、碳鋼、不銹鋼等大量常見核電材料的腐蝕，危害核電站管道和部件的結構完整性。微生物在金屬表面的代謝活動和腐蝕過程相互作用引起的局部腐蝕，是核電站冷卻水系統管道表面劣化的重要原因，導致管道穿孔的速率是正常情況的10～1000倍[2]。金屬基體發生微生物腐蝕的前提是復雜微生物群落附著組成了微生物膜。微生物膜隔熱能力極強，有很好的生物屏蔽作用，也是很難簡單用藥物治理MIC問題原因之一。

3 管道內防腐措施與方法

核電站消防水系統的管道布置較為復雜，需要依據管道的實際環境選用合適的材料及防腐工藝。消防水管道外部腐蝕技術難度不高，而管道內防腐方法和工藝卻比較復雜。

3.1 管道材料

目前法國和美國核電廠對于消防水管道腐蝕普遍的處理對策是到期更換，更換周期通常為15～20年[2]。EDF正在論證使用工程塑料管道替代部分碳鋼管道的方案。一般來說，當電廠面臨廠用管道腐蝕問題，最常見的解決方式是用耐腐蝕合金局部或整體地更換管道。許多電廠用300系列不銹鋼更換了部分或全部的小口徑（小于51mm或102mm）碳鋼管線[7]。在某些位置更換不銹鋼取得了成功，但是在某些位置故障模式僅僅是在大約相同或更短的時間內從全面腐蝕和堵塞轉變為焊縫處針孔泄漏，主要原因是發生了微生物腐蝕。國內某火電廠消防水采用江河源水，使用的不銹鋼管道發生了點蝕和微生物腐蝕[4]。因此對于消防水管道材料的選擇需要考慮其水質環境條件。

3.2 管道內防腐前處理工藝

消防水管道內防腐前可以采用高壓水流、旋風法等機械清洗和化學清洗方法去除腐蝕產物。機械清洗適用于大管徑管道，清洗前還需要排干管路中的水，因此機械清洗僅適用于局部大管道的防腐預處理。化學清洗可以將管道內疏松或堅硬的腐蝕產物全部清除，但需要考慮大量清洗廢液的處理成本。

3.3 防腐工藝

3.3.1 緩蝕劑

大部分緩蝕劑對未腐蝕金屬材料的緩蝕效果都優于已腐蝕金屬，因此消防水管道在被投入使用前添加緩蝕劑的緩蝕效果將更好。傳統的鐵合金緩蝕劑主要有無機鹽緩蝕劑和有機緩蝕劑。亞硝酸鹽、鉻酸鹽因為生物毒性，其使用受到限制；磷酸鹽受污水排放標準要求的限制；鉬酸鹽單獨使用緩蝕效果差，其隨著濃度和溫度增加緩蝕效果增加，與磷酸鹽、鎢酸鹽等復配可產生較好的緩蝕性能，但不在有效濃度范圍時會加速腐蝕；鉬酸鹽和鎢酸鹽在低氧環境下的緩蝕效果差；硅酸鹽單獨使用的緩蝕效果差，與無機磷酸鹽、有機磷、鉬酸鹽、鋅鹽復配可提高其緩蝕性能。季銨鹽類、苯環化合物等有機緩蝕劑用于消防水需要考慮其生態毒性、生物毒性及其能否滿足排污指標。核電站消防水系統按GB8978-1996《污水綜合排放標準》執行排放，使得可被選擇使用的緩蝕劑種類非常少。

3.3.2 物理除氧

通過物理方法降低核電站消防水系統氧濃度，可以有效地降低管道材料的腐蝕速率。圖6所示20#碳鋼在連續除氧和不除氧去離子水溶液中的極化曲線。與不除氧條件相比，20#碳鋼在除氧去離子水中的腐蝕電位變化不大，腐蝕電流密度大大降低。由此可見，降低去離子水中的氧濃度可以降低20#碳鋼的腐蝕。

圖6 20#碳鋼在除氧和不除氧去離子水中的動電位極化曲線

物理除氧方法有氮氣除氧和膜除氧，在核電站消防水系統應用之前需要評估物理除氧的可行性和經濟性。

4 結語

隨著核電站運行時間增加，核電站消防水系統部分管線的全面腐蝕和局部腐蝕逐漸顯著。消防水系統腐蝕主要與pH、氧濃度、微生物及管道材料有關。在滿足相關標準和技術規范的要求下，選擇綠色環保的緩蝕劑控制碳鋼管道的腐蝕，增加管道壽命。物理除氧降低氧濃度可以有效地降低碳鋼的腐蝕速率，但物理除氧需要考慮消防水系統的密封性。

依據消防水管道腐蝕情況，采取不同防腐措施和工藝，腐蝕嚴重的管道由于壁厚減薄而不能滿足承壓要求的就需要更換，腐蝕較輕的管道可以采用緩蝕劑或除氧工藝降低腐蝕。為了讓消防水系統與核電站具有相同的使用壽命，建議在核電站消防水系統設計階段引入防腐工藝或采用耐蝕性更好的管道材料，從而降低消防管道的腐蝕及其給核電站安全運行帶來的風險。