滨海核电机组海水系统部件腐蚀与防护现状

2021-05-11凌礼恭李小龙贾盼盼

核安全 2021年2期

关键词：碳钢阴极保护水泥砂浆

凌礼恭，李小龙，贾盼盼

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

目前我国商用核电厂选址均在滨海，以海水作为最终热阱及部分热量导出系统的传热介质。海水中含有较高浓度的卤素离子、微生物等对设备腐蚀具有促进作用的因素，因此，核电厂涉海水系统普遍面临着海水侵蚀的问题，影响核电厂的安全稳定运行。

本文综述了我国商用核电厂公开报道的核电厂涉海水系统管道、设备腐蚀案例，系统介绍了涉海水部件的应用、腐蚀现状、防腐手段，总结了腐蚀防护优化的原则和方向。

1 核电厂的海水系统

1.1 系统分布与功能

典型压水堆核电厂涉海水工艺系统的流程如图1 所示，包括海水过滤系统、海水处理系统、核岛重要厂用水系统、常规岛辅助冷水系统和凝汽器循环冷却系统［1］，这些系统的管道、设备与海水直接接触，选材和尺寸多样、工艺接头多、结构复杂［2］。

图1 典型压水堆核电厂涉海水工艺系统的流程图［1］Fig.1 Flow chart of seawater cooling water system in nuclear power plant［1］

1.2 服役环境

海水含盐量高且有大量氯离子和微生物，为了抑制海生物，在粗隔栅和重要厂用水泵前引入次氯酸钠溶液，次氯酸钠中氯离子的强氧化性同时加重了部件的腐蚀。设计上添加氯离子的浓度为1 ppm［3］。

另外，我国海岸线漫长，水质多样。例如某地处南海之滨的核电站，区域海水pH 值在8.3～8.5，溶解氧5～6 mg/L，且富含氯及其他盐类离子［2］。而某核电所处的杭州湾，其海水除具有高含盐量（氯离子的含量高达7250 ppm）的特点外，其含沙量（5-12 kg/m3）也很高［4］。

2 海水部件的腐蚀现状

在现有滨海核电厂中，涉海水系统部件腐蚀防护手段分为三大类：第一类，选择耐海水腐蚀材料；第二类，覆盖防腐蚀涂层；第三类，电化学防腐。由此形成了海水系统部件选材多样化的特征，以管道选材为例，分为以下几大类，如表1所示，常用选材包括碳钢（低合金钢）+内衬（衬涂层、衬橡胶、衬水泥砂浆）、不锈钢、钛合金、钢筋水泥砂浆、玻璃钢、高密度聚乙烯等。

表1 涉海水管道常用选材及腐蚀防护考虑Table 1 Material selection and corrosion protection considerations for seawater related pipelines

2.1 碳钢部件

碳钢主要用在工艺管道、阀体、过滤器壳体、热交换器水室等设备上，且碳钢普遍结合内衬技术使用，例如衬橡胶、衬防腐涂层、衬水泥砂浆、衬塑料等。

2.1.1 碳钢涂层

早期建造的核电厂涉海水部件大多是在碳钢部件表面涂装涂料，由于涂料的涂装质量以及涂层自身寿命问题，涂层的老化脱落难以避免。涂层常见的失效形式为鼓泡，如图2所示。

图2 管道内壁涂层鼓泡与脱落失效情况 a）整体，b）局部［5］Fig.2 Blistering and peeling of pipeline inner wall coating a）overall,b）local［5］

2.1.2 碳钢衬胶

碳钢衬胶管道只要内衬不受损坏，碳钢基体就不会受到腐蚀。衬胶防护层常见的失效形式为海水冲刷减薄、自然老化、机械碰伤等。核电厂中普遍采用的橡胶和塑料衬里的使用寿命一般超过10 年。

2.1.3 碳钢衬水泥砂浆

水泥砂浆衬里性能比较稳定，但质地疏松，其最大的问题是局部脱落和贯穿性开裂，并在开裂处发生缝隙腐蚀［6］。某核电厂对口径400 mm的海水管道采用水泥砂浆衬里保护，外加电流阴极保护的联合保护方法［7］。水泥砂浆衬里由于经济性较差，一般只在核安全要求较高且有抗震要求的部件上使用［8］。

碳钢加内衬技术的优缺点及主要失效模式如表2所示。

表2 不同衬里类型的优缺点及主要失效模式Table 2 Advantages and disadvantages and main failure modes of different lining types

2.2 不锈钢部件

不锈钢部件一般直接与海水接触，不额外采用腐蚀防护措施，部分大管径管道采用牺牲阳极或外加电流保护。

2.2.1 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢主要用在粗隔栅、细隔栅、鼓网网片及冲洗管等。虽然316L（317LN）较304L 不锈钢增加了Mo 元素，提高了耐腐蚀性能，但由于次氯酸钠的投加、长时间接触海水的特点，特别是死水管段，其耐海水点蚀的能力仍然无法满足长期运行的需要［9］，如图3 所示。

图3 奥氏体不锈钢的腐蚀 a）循环水系统虹吸母管316L，b）支管304L［9］Fig.3 Corrosion of austenitic stainless steel a）siphon header 316L of circulating water system,b）branch pipe 304L［9］

2.2.2 超级不锈钢

某核电EPR 机组SEC 系统中使用了超级奥氏体不锈钢904L 材料，其含14.0%～18.0%铬，24.0%～26.0%镍，4.5%钼，具有很好的活化-钝化转变能力，耐腐蚀性能好，在中性含氯离子介质中具有很好的抗点蚀性，同时具有良好的抗缝隙腐蚀及抗应力腐蚀性能。

2.2.3 双相不锈钢

AL-6XN（Cr21%、Mo6%）超级双相不锈钢耐海水腐蚀。AP1000 堆型的厂用水系统管道内采用AL-6XN 超级双相不锈钢，但是AL-6XN 价格昂贵（约2万元/m），经济性较差［10］。

2.3 钛合金部件

核电厂热交换设备海水侧部件常选用钛或钛合金，其在海水中易钝化，腐蚀电位均高于不锈钢、碳钢等，自身具备很好的腐蚀性能，但易导致与其连接的其他金属材料发生电偶腐蚀。

不锈钢及钛合金优缺点及主要失效模式如表3所示。

表3 不锈钢及钛合金部件的优缺点及主要失效模式Table 3 Advantages and disadvantages and main failure modes of stainless steel and titanium alloy parts

2.4 钢筋水泥砂浆管

钢筋水泥砂浆管结构强度高、耐腐蚀性能好但经济性差，一般仅用作核安全要求较高的输水管。钢筋水泥砂浆常见的失效有水泥砂浆的裂纹、蜂窝、粉化等。海水由砂浆层缺陷渗透，与钢筋接触，从而发生腐蚀，同时腐蚀产物对钢筋水泥砂浆结构具有一定的膨胀作用，可能导致管道的胀裂［11］。

2.5 玻璃钢部件

玻璃钢是玻璃纤维增强的热固性树脂基复合材料，具有良好的耐蚀性能。玻璃钢在核电厂中常用作疏水管材，其主要的失效形式是玻璃钢的老化［11］。玻璃钢管道压力最大只到1.0 MPa，一般用于室外直埋［10］。

2.6 高密度聚乙烯部件

高密度聚乙烯（HDPE）是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有很好的抗海水腐蚀和生物侵蚀的特性，且易安装、成本低，因此是涉海水系统金属管材较好的替代材料。然而要使HDPE广泛用于核安全级设备上，还面临着诸多问题，如热熔接头的质量检验与验收、服役温度和压力限制、应用标准的建立等［12-14］。

涉海水非金属材料部件优缺点及主要失效模式如表4所示。

表4 非金属材料部件优缺点及主要失效模式如下Table 4 Advantages and disadvantages and main failure modes of nonmetallic components are as follows

综上所述，涉海水系统部件材料腐蚀原因可归纳为两大类：其一，腐蚀防护设计不合理，例如选用的材料耐蚀等级不够、未考虑部件间可能形成的电偶腐蚀等；其二，已有的防腐措施失效，例如内衬的破损、阴极保护不良或失效、水化学参数超标等［1］。

3 海水管道腐蚀防护手段与优化

耐海水腐蚀材料、隔离部件与海水、电化学防腐是涉海水系统部件材料腐蚀防护的三大手段和优化方向。

3.1 选用具有更优耐海水腐蚀性能的材料

在核电厂涉海水工艺系统中，泵的水力部件、阀瓣、滤网、换热器的换热管和管板、管道及管排等易腐蚀部件应优先选用耐蚀等级高的材料，以提高部件和设备的可靠性。

选用高耐蚀等级材料的良好工程实践如表5所示。

表5 选用高耐蚀等级材料的良好工程实践Table 5 Good practice in selecting corrosion resistant materials

3.2 隔离部件与海水

隔离部件与海水一般采取衬里技术，包括衬橡胶、衬塑料、衬涂层、衬水泥砂浆等。但在海水环境中，涂层一般不单独使用，而是和阴极保护联合使用。

衬里技术在大部分管道内防腐效果较好，但在三通管、弯管、泵后管、阀后管等特殊位置，因流速、流向变化等因素，容易出现不同程度的内防腐层破损、脱落现象，因此出现了抗腐蚀性好、耐磨性高的高聚陶瓷涂料+贴覆增强带［4］、耐磨涂层（厚浆型树脂）+阴极保护等优化方案［6］。

3.3 电化学保护

电化学阴极保护有牺牲阳极块阴极保护和外加电流阴极保护两类。

3.3.1 牺牲阳极块阴极保护

牺牲阳极保护法是将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极，如铝-锌-铟）相连，使被保护金属腐蚀速率降低的方法，如图4所示。该方法适用于防护距离短、分散、易安装的部件［8］。阳极块要布置在合理位置，可考虑对称布置和均匀布置，定期检查阳极块以免脱落降低防腐蚀性能、增加流阻。牺牲阳极法日常运维简单，但驱动电压低、保护距离短。

某核电粗隔栅、钢闸门、细隔栅、循环水进出凝汽器管道、二次滤网、跌落井各闸门导轨均使用防腐漆加阳极块的设计［3］。

图4 牺牲阳极块阴极保护法原理图Fig.4 Schematic diagram of cathodic protection with sacrificial anode block

3.3.2 外加电流阴极保护

外加电流阴极保护是向被保护金属结构表面施加一个外加电流，被保护物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，如图5所示。外加电流阴极保护系统由恒电位仪、参比电极、辅助阳极等组成。一般用于防护范围较广的大型部件，例如旋转滤网、内外表面均与海水接触的部件等。保护电流过大会引起涂层剥离，甚至超过析氢电位，导致氢脆断裂；保护电流过小导致腐蚀防护不足，因此需实时进行外加电流保护监测［11］。

某核电厂重要厂用水系统管道，由于管线较长（约450 m），采用了电流阴极保护联合重防腐涂层的防腐措施［4］。

图5 外加电流阴极保护原理图Fig.5 Schematic diagram of impressed current cathodic protection

3.4 联合防腐

联合防腐一般指通过材料、电化学、隔离措施的优化和组合起到超越单独防腐手段效果的优化手段。

3.4.1 电偶腐蚀的联合防腐

电偶腐蚀易发生在海水冷却系统的滤网和换热管上，这是由于不锈钢滤网或钛合金换热管跟周围的内衬碳钢管道接触形成了电偶腐蚀。某核电厂采取隔离+电化学阴极保护的联合防腐措施，即修补防腐涂层以保护碳钢壳体，在水室涂覆衬胶均起到隔离海水的作用，增加外加电流阴极保护以保护管板［2］。

3.4.2 奥氏体不锈钢管线联合防腐

奥氏体不锈钢对海水中卤素离子存在较高的点蚀敏感性，为此采取耐蚀材料堆焊+表面钝化+电化学的联合防腐措施。焊缝背面预先堆焊：通过焊接工艺的改进在管道焊缝内侧热影响区表面预先堆焊耐蚀合金（ER385），如图6所示。电化学钝化处理：采用电化学钝化处理对管道内壁进行防腐处理，如图7 所示。锌塞阳极：在管道上加装锌塞作为牺牲阳极，如图8所示［15］。