淺談核電站冷凍水系統(tǒng)保溫層下腐蝕與防護措施

李 德

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317111）

0 引言

核電廠冷凍水系統(tǒng)為反應堆及輔助廠房暖通系統(tǒng)提供冷源，其管道廣泛分布于核島廠房內(nèi)、常規(guī)島廠房室內(nèi)外區(qū)域。其內(nèi)部流體介質(zhì)溫度通常在4℃至14℃之間，管道外包裹玻璃纖維保溫層或橡塑泡沫保溫層。

保溫層極易進入水分和腐蝕性物質(zhì)而發(fā)生保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，CUI）。冷凍水系統(tǒng)的腐蝕過程包括保溫層的老化吸水，管道涂層的老化破損等。研究表明，施加了保溫結(jié)構(gòu)的設備或管道，運行5a后發(fā)生保溫層下腐蝕的概率將大幅上升，使用10a后的保溫層60%都含有腐蝕性冷凝水， CUI發(fā)生的概率大幅上身[1]。在有涂層防護時，冷凍水管道在服役16～20a最易發(fā)生泄漏[2]。CUI不易發(fā)現(xiàn)，腐蝕達到一定的程度管道會突發(fā)穿孔或破裂，導致系統(tǒng)停運、環(huán)境污染等后果。探討保溫層下腐蝕發(fā)生原理及在保溫設計、涂層選用、運行維護等層面采取相應的措施，可有效降低腐蝕穿孔事件的發(fā)生。

1 保溫層下腐蝕影響因素

根據(jù)被保溫結(jié)構(gòu)材質(zhì)的不同，CUI有兩種形式。在碳鋼表面，主要出現(xiàn)由電化學腐蝕引起的坑蝕或全面腐蝕；在不銹鋼材料表面主要表現(xiàn)為點蝕及應力腐蝕開裂等。核電站冷凍水管道采用碳鋼管道，有研究表明[3]，當管道在溫度在7～13℃之間時，在保溫層失效后，碳鋼腐蝕速率約0.27mm/年。在碳鋼表面，腐蝕介質(zhì)濃度、氧含量、溫度、pH對腐蝕速率均有影響。

1.1 運行工況對CUI的影響

設備及管線運行溫度范圍在-4～175℃之間最易發(fā)生CUI，冷凍水系統(tǒng)溫度區(qū)間在該范圍內(nèi)。NACE RP0198研究了保溫層下溫度與腐蝕速率的關系，當溫度較低時，碳鋼表面腐蝕速率較低，而當冷凍水系統(tǒng)在切換列運行時，停運列的管道溫度會逐漸升高至室溫，腐蝕速率大幅度增加，如圖2所示。當保溫層進水、涂層老化破損后，往往數(shù)年之內(nèi)即會出現(xiàn)管道穿孔。

圖2 溫度與腐蝕速率的關系

1.2 保溫結(jié)構(gòu)對CUI的影響

保溫結(jié)構(gòu)影響水汽的進入和排除從而影響腐蝕速率。在保溫層與閥門等結(jié)構(gòu)接觸的位置、防護層接口處、直立保溫層終端、保溫層脫落等防護層或防潮層防護不嚴的位置，易有水汽進入。水汽主要來源為雨水飛濺、空氣冷凝和附近排放的蒸汽。當水汽進入后，由于保溫材料的毛細作用及防護防潮層的密封作用導致保溫層不易干燥，從而又導致腐蝕的電解液長期存在。

1.3 保溫材料的影響

保溫材料組合要有巖棉、珍珠巖、硅酸鈣等，其在隔絕熱量耗散的同時，其本身存在毛細結(jié)構(gòu)，保溫材料具有水溶性、滲透性和可濕性等特性，為水分的進入、擴散和鹽分的溶解提供了場所；另一方面，在吸收水分后，保溫材料內(nèi)部的氯化物、硫化物等無機鹽溶解，并隨著周期性的水分蒸發(fā)、凝結(jié)作用，無機鹽濃度增加，電解液濃度增加，加速了腐蝕的進行。

1.4 涂層的影響

受到運行工況的影響管道不斷冷熱循環(huán)，因管道的熱膨脹系數(shù)與鋼鐵不同，經(jīng)歷熱循環(huán)后涂層內(nèi)部的應力增加，涂層易老化開裂；另一方面，冷凍水管涂層兩側(cè)存在溫度梯度，存在蒸汽壓，蒸汽滲入速度大于蒸汽滲出速度，形成冷壁效應，導致涂層鼓包老化，如圖3所示。浸泡在水中的涂層通常會吸收0.1%～3%wt的水后膨脹，若在局部位置發(fā)生膨脹，其吸水產(chǎn)生的應力大于附著力時，涂層也會起泡。

圖3 冷壁效應原理圖

2 保溫層下腐蝕防護

CUI的發(fā)生受到多種因素的影響，為延緩CUI問題發(fā)生，需要分別從保溫結(jié)構(gòu)、保溫材料、涂層等方面共同著手。

2.1 保溫結(jié)構(gòu)設計

保溫層下發(fā)生腐蝕的最主要原因為水汽進入保溫層形成電解液，在基材表面涂層破損后，基材與水接觸易發(fā)生電化學腐蝕。良好的保溫結(jié)構(gòu)設計可降低外界水分進入?？赏ㄟ^保溫的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免大量水汽進入保溫層，而在保溫層內(nèi)聚集。

NACE RP0198提供了一些保溫層結(jié)構(gòu)，以盡可能避免水分進入保溫層。在朝上管道的保溫終端處，應在管道的保溫終端上方環(huán)焊防水密封帽，避免雨水等通過管道滲入保溫層，如圖4（a）所示。對于容器底部或加強環(huán)位置，可在保溫外側(cè)增加一塊擋板，避免水分通過加強環(huán)與保溫底部接觸的位置進入保溫層，如圖4（b）所示。對于支吊架結(jié)構(gòu)，應盡量將管夾等復雜結(jié)構(gòu)藏于保溫層內(nèi)，或?qū)⒅У跫茉O置于強度增強的保溫層外，如圖4（c）所示。在設備銘牌或其他細小的支架處，應使用保溫層將其全覆蓋，避免保溫防護層開口或存在過多的搭接，如圖4（d）所示。

圖4 部分結(jié)構(gòu)保溫設計示意圖

保溫層結(jié)構(gòu)的設計應盡量減少保溫防護層的開口，并盡量保證開口朝下。在開口位置應使用填縫料或熱收縮套等進行密封，避免雨水等通過細小縫隙、孔洞等進入保溫層。在采取避免水分進入的同時，在保溫層底部設置排水孔也是降低保溫層內(nèi)水分殘留的一項措施。

2.2 保溫材料的選擇

核電廠冷凍水保溫在核島設計范圍內(nèi)選用玻璃纖維材料加防潮層，在常規(guī)島范圍選用難燃型閉孔橡塑泡沫殼或保溫板。實踐表明，幾乎沒有保溫材料可以避免基材表面發(fā)生腐蝕，但是保溫材料的設計和選擇對延緩CUI具有重要的意義[4]。

選擇不易吸水的保溫材料。保溫材料可分為疏水性和親水性。疏水性保溫材料按原理又分為自身疏水（泡沫玻璃、SiO2氣凝膠材料等）和加入化學添加劑疏水（如WRG巖棉、Pyrogel XT等）；而常用的親水性材料有巖棉、硅酸鈣等。疏水材料可以抑制CUI的速率，但是需要進行有效的密封，當外界的水汽進入保溫層后，由于材料本身的疏水性限制了水分氣相和液相的自然遷移，使進入的水分被困在了由管壁、疏水保溫層形成的楔形空間內(nèi)，反而會加速CUI。

選擇浸出離子濃度低的保溫材料[5]。保溫材料無法完全避免水分的侵入，隨著水分進入，保溫材料會浸出Cl-、F-、SO42-等離子，并隨著保溫材料的老化，離子析出量會增加，電解液濃度增加，腐蝕速率增加。采用包裹試驗發(fā)現(xiàn)[5]，不同保溫材料對碳鋼的腐蝕速率影響為：復合硅酸鹽>玻璃棉>巖棉>硅酸鋁。

有些保溫材料會在加工制造時期加入腐蝕抑制劑或緩蝕劑來預防CUI，緩蝕劑可在金屬界面形成穩(wěn)定的化學鍵，防止腐蝕性物資滲透到基材表面，但是在涂層的老化過程中，腐蝕抑制劑會逐漸被水分帶走，所以腐蝕抑制劑在涂層老化后無法起到有效延緩CUI的作用。在系統(tǒng)運行期間，可以通過投入液相、氣相緩蝕劑的方式延緩管道腐蝕，但應注意避免選用影響電廠水化學的元素和化學成分。有些保溫材料會水解產(chǎn)生硅酸鈉，雖然硅酸鈉作為一種緩蝕劑，但是水解產(chǎn)生的量不足以達到緩蝕效果[5]。

冷凍水保溫材料的選擇，還應結(jié)合考慮材料的經(jīng)濟性、導熱性能、抗壓強度、與基材表面涂層的兼容性及施工性能等因素。

2.3 涂層的選擇

對于保溫層下的防腐，最有效的方法是涂覆防腐蝕涂料。冷凍水管道表面的涂層選擇，應著重考慮涂層的耐水性和涂層的冷壁效應問題。涂料的選擇應符合機構(gòu)所處環(huán)境氣候下的耐候性。保溫層內(nèi)的涂料選擇應額外可通過耐水性（GB/T 1733-1993中的甲法進行測量）、耐溫變循環(huán)性（JG/T 25-1999）和耐冷凝水（通過GB/T 13893-2008）測試[6]。根據(jù)HG/T 5178推薦，冷凍水保溫涂料可選擇環(huán)氧樹脂類涂料、酚醛環(huán)氧涂料、有機硅涂料、熱噴鋁涂料等。

核電站部分冷凍水管道需持續(xù)在線運行，因其溫度遠低于環(huán)境空氣溫度，在進行保溫層下腐蝕檢查或防腐層修復時，其表面會快速形成冷凝水。常規(guī)涂層配套體系難以滿足該條件下的固化要求，可選擇濕固化類環(huán)氧涂料。

3 腐蝕管理

3.1 腐蝕監(jiān)測

CUI最常用的檢測方式為目視檢查，在拆除保溫后，直接觀察結(jié)構(gòu)的腐蝕及裂紋情況。該方法簡單、直觀、有效，但是需要拆除的保溫量大，且保溫回裝的質(zhì)量難以像新裝保溫那樣嚴密，所以拆除保溫目視檢查通常僅針對易有水分進入的位置。

保溫層內(nèi)發(fā)生嚴重腐蝕的前提條件是保溫材料浸水，當保溫層內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)暴露在電解質(zhì)及空氣中，就存在腐蝕風險。在腐蝕發(fā)生前期介入檢查保溫層狀況，根據(jù)保溫材料的含水情況判定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕趨勢。如采用微波技術(shù)、紅外熱成像（IRT）技術(shù)、分布式光纖技術(shù)等對保溫層的含水情況進行檢查。

當基材發(fā)生CUI后，其表面會出現(xiàn)腐蝕凹坑或減薄，通過結(jié)構(gòu)壁厚的變化產(chǎn)生的電磁學參數(shù)的變化來確定腐蝕形貌。常用的不拆保溫的檢測方法有：超聲導報技術(shù)（LRUT）、脈沖渦流技術(shù)（PEC）、射線成像技術(shù)、電容成像、中子反向散射技術(shù)等。拆除保溫后的檢測方法有：電磁超聲測厚法、液體滲透檢測法、電化學噪聲法等。

3.2 防腐活動管理

為降低CUI，應在設計、安裝、生產(chǎn)維護過程中，開展全過程質(zhì)量控制。通過結(jié)構(gòu)設計階段的改進，避免設計難以安裝保溫的結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)使用場景選用合適的保溫結(jié)構(gòu)、材料，并選用耐水性能強、耐溫變循環(huán)性能好的涂層。在涂層涂裝和保溫安裝階段進行質(zhì)量控制，確保涂層施工達到質(zhì)量要求，保溫安裝嚴實。

在生產(chǎn)維護階段應采取措施避免人員踩踏或重物壓迫，并定期對保溫層進行檢查，確保保溫層完好。對于CUI的檢查，開展基于腐蝕風險的排查，著重排查室外區(qū)域、跑冒滴漏區(qū)域、保溫層終端、閥門位置、支吊架位置及保溫變形、松動、損壞區(qū)域，并定期進行基材表面的防腐修復。同時應建立保溫潤濕位置及腐蝕數(shù)據(jù)庫，建立趨勢分析，在后續(xù)的檢查中重點關注。

4 結(jié)語

核電站冷凍水系統(tǒng)保溫層下腐蝕發(fā)生隱秘，且腐蝕速率較高，后果嚴重。運行期間，全面檢查保溫層內(nèi)設備腐蝕狀態(tài)存在諸多限制因素，故應該在設計、安裝、運行期間加以重視。優(yōu)化保溫層結(jié)構(gòu)，改進保溫材料類型和合理地選擇優(yōu)質(zhì)的涂料可以有效緩解保溫層內(nèi)腐蝕發(fā)生的速率。對于已出現(xiàn)CUI的設備、管道，應采取合理的監(jiān)測手段，對重點位置進行詳細檢查。同時，應對保溫層狀況進行巡檢，及時修復異常的保溫層。