核电厂用结构模块双相不锈钢锈蚀分析

何龙飞+罗学明

摘 要：第三代压水堆核电机组结构模块大量使用A240 S32101双向不锈钢，但由于施工作业周期长，结构模块在海洋大气环境下露天存放较长时间，从而导致双相不锈钢出现锈蚀现象，本文通过分析施工与设计、环境因素提出了一些改善措施，为后续设计、施工提供一定的参考。

关键词：结构模块；双休不锈钢；锈蚀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.147

1 前言

第三代压水堆核电技术是采用非能动安全系统的两环路压水堆机组，机组毛功率约为1500MWe，具有先进的非能动安全系统。第三代压水堆核电技术安全系统采用加压气体、重力、自然循环以及对流等自然驱动力，而不使用泵、风机或柴油发电机等能动部件，并且可在没有安全交流电源、设备冷却水、厂用水及供热、通风与空调等支持系统的条件下实施安全功能。第三代压水堆核电机组在系统设计方面采用“减法”，减少了部件数量、降低了相关维修要求工作量，并且提高了可运行性；另外，采用“模块化”设计，减少了现场施工组装的工作量从而尽可能缩短建造工期和降低总造价，提供机组市场竞争性。第三代压水堆核电机组结构模块主要材料为碳钢与A240 S32101双相不锈钢，其中有的结构模块由双相不锈钢焊接而成（如CA03）、有的结构模块由碳钢与双相不锈钢焊接而成（CA01、CA20等），由于该类结构模块外形尺寸较大，均需在露天环境下进行组对、拼装，并且施工作业周期较长，而致使其在海洋大气环境下存放较长时间，从而导致碳钢、双相不锈钢出现局部污染、锈蚀。本文针对第三代压水堆核电机组施工现场所使用的A240 S32101双相不锈钢锈蚀原因进行分析，并试图寻找一些保护措施以改善施工现场双相不锈钢的锈蚀情况。

2 A240 S32101双相不锈钢

双相不锈钢是指铁素体（γ）与奥氏体（α）各占约50%的不锈钢（其中较少相的含量最少不低于30%）。在含C较低的情况下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%，有些双相不锈钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，是一种节镍不锈钢，具有较高的经济价值。由于双相不锈钢的这些优异特性，使其作为一种重要的结构材料，被广泛应用于石油化工设备、输油输气管线等工业和工程领域，近年来逐渐应用于第三代压水堆核电机组工程建设当中，具有较为广阔的发展前景。

3 A240 S32101双相不锈钢锈蚀原因分析

（1）施工与设计。由于第三代压水堆核电机组采用模块化施工技术，大量结构件子模块在预制车间制作完成后，还须在施工现场经过拼装、焊接、打磨等作业。由于施工作业过程中的打磨、焊接所产生的高温破坏了双相不锈钢表面的钝化膜而造成双相不锈钢耐锈蚀的特性退化，并且使得双相不锈钢发生高温氧化；另外，由于结构模块由碳钢与双相不锈钢共同组合而成，且结构模块长期存放于露天环境下，在海洋大气的作用下碳钢部分极易产生锈蚀现象，进而导致临近的双休不锈钢受到污染而产生局部锈蚀。

（2）环境因素——大气腐蚀。由于所处环境为海洋大气环境，空气中所含的湿度、氯离子浓度较高，而双相不锈钢的钝化膜在含有氯离子的水溶液中极易发生溶解。该反应的化学分析如下：由于氯离子可以优先地、有选择地吸附在双相不锈钢的钝化膜上，把氧原子排挤出去，然后与双相不锈钢的钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，导致基底金属上生成孔径为20μm～30μm的小蚀坑，这些小蚀坑即为孔蚀核，在氧化剂的作用下促使孔蚀核逐步增大，使得金属的腐蚀电位上升。由于蚀孔内的金属表面处于活化状态，蚀孔外的金属表面处于钝化状态，此时，便形成了钝态微电偶腐蚀电池。由于阴、阳两极彼此分离，腐蚀产物将在孔口形成。孔内介质相对于孔外介质呈滞流状态，溶解的金属阳离子不易往外扩散，溶解氧也不易扩散进来。由于孔内金属阳离子浓度增加，氯离子迁入以维持电中性，这样就使孔内形成金属氯化物的浓溶液，这种浓溶液可使孔内金属表面继续维持活化状态。另外，由于氯化物水解的结果，孔内介质酸度增加，使阳极溶解加快，蚀孔进一步发展，孔口介质的pH值逐渐升高，水中的可溶性盐将转化为沉淀物，结果锈层、垢层一起在孔口沉积形成一个闭塞电池。闭塞电池形成后，孔内、外物质交换更加困难，孔内金属氯化物更加浓缩，氯化物水解使介质酸度进一步增加，酸度的增加将使阳极溶解速度进一步加快，蚀孔的高速度深化，甚至可将金属断面蚀穿。

4 改善措施

4.1 施工与设计

（1）在结构模块拼装施工作业过程中采取必要措施，避免切割、打磨等飞溅物污染双相不锈钢表面，从而减少触发锈蚀发生的概率。

（2）加强施工过程管理力度与日常检查頻次，发现双相不锈钢出现锈蚀现场及时采取相应处理措施，降低锈蚀的进一步扩散。

4.2 环境条件

（1）降低空气湿度。湿度是决定大气腐蚀类型和速度的基本因素。当空气湿度达到100%时，水蒸气就会从空气中凝结而出，沉积在金属表面形成水膜，其厚度一般在20～300μm；当有雨水或水沫溅落在金属表面时，水膜厚度可达1mm。金属表面的水膜并不是纯净的水，其中溶解多种气体、固体物质（如二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯化钠等），形成电解质溶液。

（2）控制温度。平均气温高的地区腐蚀较为严重，气温的变化导致的温差（昼夜温差、室内外温差）使其表面结露，加速腐蚀的作用。

（3）控制盐粒。盐粒溶解于金属表面水膜，增加吸湿性和导电性，并且氯离子具有较强的腐蚀性。海洋大气环境中含有较多的盐粒。

（4）降低烟尘。烟尘落在金属表面能够吸附腐蚀性物质（如碳粒），或者在金属表面上形成缝隙，增加水汽凝聚（如硅质颗粒）。

4.3 防锈措施

（1）暂时性防锈水。以水为基体，加入一定量的水溶性缓蚀剂组成，在金属表面形成阻挡层，从而起到抑制金属腐蚀的作用，在使用时可以顺利地将防锈材料去除而不影响其正常使用。

（2）防锈塑料。以塑料为主体的成膜防锈材料。塑料薄膜将金属与腐蚀环境隔离，并从塑料膜层中挥发或渗透防锈剂到金属表面达到完全防锈的目的。溶剂型可剥性塑料主要由溶剂、成膜物质（母体材料）、辅助成膜材料（树脂）及增塑剂、稳定剂、缓蚀剂等组成，溶剂的选择需使成魔物质在溶剂中的溶解度和溶剂的挥发速度很好配合。溶剂型可剥性塑料可采用浸泡、喷涂或涂刷方法涂覆，其优点是操作干净、启封方便、防锈期长，并且剥离后的塑料可重新回收再次利用。

5 结束语

双向不锈钢作为一种性能全面、优良的工程材料已经在越来越多的领域得到应用。本文通过对第三代压水堆核电机组结构模块双向不锈钢锈蚀进行分析，找出影响双向不锈钢锈蚀的主要因素，为在后续的施工与设计中采取必要的措施对施工现场进行完善，降低双向不锈钢的锈蚀速度，为后续合理的设计、施工提供一定的依据与参考。

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作者简介：何龙飞（1989-），男，陕西兴平人，硕士研究生，助理工程师，主要从事核电项目施工管理工作。endprint