核电厂空气冷却器出口管道腐蚀穿孔原因分析

2019-12-13吴昉赟赵卫东刘洪群

全面腐蚀控制 2019年11期

周澄吴昉赟赵卫东刘洪群

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

核电厂发电机在发电的过程中会产生大量的热量，产生的热量通过各种冷却介质（氢气、空气、定子冷却水、润滑油等）传递给冷却水系统。

励磁发电机产生的热量通过空气传递给海水冷却水系统来实现冷却。励磁发电机封闭在一个整体外罩内，罩内装有空气冷却器，形成封闭通风系统，以保证机组在额定温度范围内运行。冷却空气通过主励磁机风扇的鼓风作用来实现内循环，冷却空气在通过空气冷却器冷却管的外侧时，由冷却空气吸收的热量被传送海水冷却水系统。

空气冷却器主要由冷却管、管板、水室、海水管道和支架组成，结构如图1所示。海水介质从海水管道、水室、冷却管内流入和流出，对空气进行冷却。冷却管和管板采用钛管材质，表面无防腐措施。海水管道和水室为碳钢材质，内部涂装防腐涂层来防止海水腐蚀。某核电厂的空气冷却器出口管道在运行不到6个月时间出现穿孔问题，如图2所示，严重影响该设备的正常运行，进而影响励磁发电机的稳定运行，本文对空气冷却器出口管道穿孔原因进行了分析。

图1 空气冷却器示意图

图2 穿孔管道形貌

1 穿孔原因分析

空气冷却器出口管道腐蚀穿孔的原因在于两个方面，第一方面是管道内壁防腐涂层发生了失效，涂层失去对管道基体的保护作用；第二方面是海水介质对管道基体产生了腐蚀。

1.1 宏观形貌分析

对表面涂层进行检查，发现整体涂刷满足要求，但有流挂，表面不光滑，局部涂层有锈蚀现象，如图3所示。对管道内部涂层厚度检测发现涂层厚度位于280～780μm之间，涂层厚度不均。厚薄不均导致过厚的地方容易出现粗糙、结瘤、脱落等问题。穿孔位置位于管道弯管内弧面，属于防腐施工盲区，表面处理困难，并且难以检查表面处理质量，可能引起涂装效果与防腐性能不佳。

将穿孔管道沿轴线纵向剖开，可以发现，管道内表面发现数处点蚀区域，大部分位于管道内弧面近中间位置，少数位于管道外弧面及进出口附近。

穿孔部位附近涂层破损，破损面积约为50×20mm，如图4所示。穿孔边缘附着大量红褐色腐蚀产物，未发现明显冲刷痕迹，说明材料受到海水冲刷作用不明显，造成穿孔的主要机理为海水腐蚀。

图3 管道内部形貌

图4 穿孔部位形貌

1.2 海水腐蚀分析

当涂层局部破损以后，管道碳钢材料直接与海水接触，发生腐蚀，碳钢在不同试验点海水中暴露的平均腐蚀深度不同，如表1所示[1]。20#钢在青岛、舟山、厦门海域暴露一年的平均腐蚀速率均为0.18mm/a，暴露4年的最大腐蚀深度为0.64mm，其腐蚀速率为0.16mm/a，小于第一年的腐蚀速率。

碳钢在不同试验点海水中暴露的平均点蚀深度如表2所示，点蚀深度可看作碳钢腐蚀极限。从表2中可以看出，20#钢在青岛、舟山、厦门海域暴露1年的最大腐蚀深度为0.74mm，离秦山最近的舟山的点蚀腐蚀深度仅为0.38mm；暴露4年的最大腐蚀深度为1.54mm，平均腐蚀速率为0.385mm/a，远小于第一年的腐蚀速率。

空气冷却器出口管道设计壁厚为4.5mm，运行不到半年时间，运行时间内正常情况下（即使没有涂层保护）不会导致管道穿孔发生。

表1 碳钢在不同试验点海水中暴露的平均腐蚀深度（mm）[1]

表2 碳钢在不同试验点海水中暴露的平均点蚀深度（mm）[1]

1.3 电偶腐蚀分析

当碳钢管道与换热相连接时，如果绝缘措施未做好，极易发生电偶腐蚀[2]。使用万用表对其连接电阻进行检测，发现管道与盖板间电阻值约为0.22Ω/0.44Ω，盖板与管板之间的电阻值约为0.83Ω/0.54Ω，说明管道与管板之间电连接良好。由此可以确定管道与钛板为非绝缘连接，形成了电偶腐蚀发生条件，传热管内表面作为阴极，管道内表面局部涂层破损区域作为阳极将加速腐蚀，如图5所示。

发生反应如下：

管道穿孔部位发生阳极反应：

钛管表面发生阴极反应：

总反应：

图5 电偶腐蚀示意图

空气冷却器出口管道内表面涂层局部破损以后，可以认为局部破损部位作为牺牲阳极来保护钛传热管。根据GB/T 16166-2013《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》[3]，当形成牺牲阳极保护时，牺牲阳极（也就是管道局部破损部位）发生电流：

其中△E为驱动电位，根据GB/T 16166-2013中铁阳极的驱动电位（△E）取0.25V；R为接水电阻，根据GB/T16166-2013，接水电阻满足如下公式：

其中L为长度；B为宽度；H为深度（如图4所示；L约为50mm，B约为20mm，H取4.5mm）；ρ为电阻率。随时间和温度的变化而变化，如表3所示。由于本管段穿孔时间段为2018年8月～2019年2月，因此分别选取8月～次年2月的最大电阻率数据和最小电阻率数据，即55Ωcm和83Ωcm进行计算。

电偶腐蚀条件下，假定管道内壁局部破损部位均匀消耗，直至穿孔，那么发生穿孔剩余时间为：

其中Q为电容量，取900Ah/kg，G为局部破损部位重量；Im为实际发生电流，Im≈（0.6～0.8If）。

取Im=0.6If，将上述数值代入公式计算得出：

也就是说，当管道内壁涂装并安装完成以后，涂层经过一定的时间发生老化破损以后，在电偶腐蚀的作用下再经过62～91天的时间管道发生腐蚀穿孔。

1.4 运行工况分析

发生穿孔的部位为出口管道，其内部介质温度高于入口管道介质温度。像大多数化学反应一样，腐蚀的速率随水温的升高而增加[4]。这是由于当温度升高时，氧的扩散系数增大，使得溶解氧更容易达到阴极表面而发生去极化作用；溶液电导率增加，腐蚀电流增大；水的黏度减小，有利于阳极和阴极反应的去极化作用。因此出口管道因温度升高而加快腐蚀。

表3 秦山地区海水的pH值和电阻率

一般来说，腐蚀速率随海水的流速的增加而增加，这是因为流速增大时，提高了氧的扩散系数，介质中的氧更快的传递到基体表面，从而加快反应速率。出口管道外径为133mm，壁厚为4.5mm，内径为124mm，设计流量为720m3/h，共有4根管道，可以计算得出管道内流速约为4.14m/s。管道内海水具有一定的流速，对海水的腐蚀具有一定的促进作用。

2 解决措施及建议

2.1 防腐层选型

管道穿孔部位位于弯头内弧面，属于防腐施工盲区，表面处理和防腐施工都较为困难，可能引起涂装效果与防腐性能不佳。为彻底解决这一问题，建议将碳钢+涂层管道改为不锈钢或者碳钢+衬胶管道。针对不锈钢，要选择适用海水中的耐蚀不锈钢，例如超级奥氏体不锈钢或者双相不锈钢等；针对碳钢+衬胶，衬胶具有良好的保护作用和弹性，不易破损并且耐海水冲刷，使用寿命较长。