滨海核电厂不锈钢管道腐蚀原因分析

叶鸣钧 边春华 刘洪群 郑福亮

（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

国内核电厂均建设在沿海地带，受海洋大气环境腐蚀，核电厂部分管线采用不锈钢管线。某核电厂不锈钢管线表面出现了点蚀，影响管线的正常运行。

本文根据对现场调研，并对样品进行试验分析，给出了不锈钢管线腐蚀原因分析及建议。

1 试验分析

1.1 腐蚀形貌宏观分析

通过对某核电厂不锈钢管线现场腐蚀检查发现，不锈钢管线表面涂装有涂层，在焊缝和部分管道位置表面发现点蚀，如图1所示。

1.2 管道材质分析

采用NITON XLt898W便携式合金分析仪对割下管道进行光谱分析，成分如表1所示。管道材质符合06Cr17Ni12Mo2或022Cr17Ni12Mo2不锈钢的合金成分组成。

表1 材质化学成分分析结果

1.3 管道现场金相检验

对管道采用现场覆膜金相检验，如图2所示，金相组织为奥氏体+孪晶，未见明显异常。

2 腐蚀原因分析

2.1 环境分析

该不锈钢管线所处环境为海洋大气环境，海洋大气环境是指在海平面以上由于海水的蒸发，形成含有大量盐分的大气环境[1]。此种大气中盐雾含量较高，对金属有很强的腐蚀作用。与浸于海水中的钢铁腐蚀不同，海洋大气腐蚀同其它环境中的大气腐蚀一样是由于潮湿的气体在物体表面形成一个薄水膜而引起的。这种腐蚀大多发生在海上的船只、海上平台以及沿岸设施上。普通碳钢在海洋大气中的腐蚀比沙漠大气中大50～100倍[2]。海洋大气中相对湿度较大，同时由于海水飞沫中含有氯离子，往往会对金属材料产生严重的腐蚀。因此，海洋大气中的金属材料表面很容易形成有腐蚀性的水膜，并且水膜中含氧非常丰富。薄水膜对金属材料作用而发生大气腐蚀的过程，符合电解质中电化学腐蚀的规律。空气中所含杂质对大气腐蚀影响很大，海洋大气中富含大量的海盐，这些海盐杂质溶于金属材料表面的水膜中，使这层水膜变为腐蚀性很强的电解质，加速了腐蚀的进行，与干净大气的凝结水膜相比，被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速度增加8倍[3]。

2.2 涂层老化

不锈钢管道表面涂装涂料，形成一道保护涂层，能阻止海洋大气和不锈钢基体接触。但是，随服役时间的延长，涂层在日照、紫外线、温差变化等作用下，会发生老化，出现失光褪色、粉化、开裂、破损、鼓包等缺陷，缺陷部位的涂层一旦发生破损，便会导致海洋大气直接和不锈钢接触，从而引起腐蚀[4]。

2.3 腐蚀机理分析

海洋大气环境具有高盐分、高湿度、干湿循环等特点。海洋大气有相当高的湿度，不锈钢管道在水蒸气的毛细作用、吸附和凝结的共同作用下在管道表面形成一层肉眼看不见的水膜，水膜中含有硫酸盐和氯化钠等盐类，成为强电解质。

含有Cl-的水膜在不锈钢管道表面富集，导致不锈钢管道发生点蚀。点蚀坑表面被腐蚀产物覆盖，呈现闭口状。孔口直径通常等于或小于孔深，蚀坑剖面形貌主要为楔形窄而深形、椭圆形长圆形以及盘蝶形宽浅形等类型。

不锈钢的点蚀主要经历以下几个过程：（1）亚稳蚀孔萌生；（2）亚稳蚀孔转变为稳态蚀孔或发生再钝化；（3）稳态蚀孔发展。点蚀萌生的实质是不锈钢表面的钝化膜受到Cl-的作用，从而造成局部破坏。在不锈钢表面萌生的大量亚稳态蚀孔中，大多数亚稳蚀孔都会重新钝化，少量亚稳态蚀孔可以转变为稳态蚀孔。当稳态蚀孔形成后，活性溶解的蚀孔底部可以看作阳极，处于钝化阶段的不锈钢表面可以看作阴极，由于活性溶解区域的面积远小于钝化区的面积，因此形成了大阴极小阳极的活化-钝化电池，从而加速了蚀孔底部金属的活性溶解。

腐蚀产物不断在不锈钢表面蚀孔处积累，形成铁红色产物。同时，由于腐蚀产物的堆积，蚀孔内外传质过程速率下降，而且蚀孔内阴极反应的发生导致蚀孔内氧浓度低于孔外介质中氧浓度，因此形成氧浓差电池，进一步加速蚀孔内金属的活性溶解。活性溶解的金属发生如反应(6)的水解反应，产生大量H+，为了保持蚀孔内环境的电中性，Cl-会不断的向蚀孔内迁移，蚀孔内Cl-浓度的提高。较高的Cl-发生活化作用进一步加速蚀孔底部的活性溶解，点蚀稳定生长。

2.4 不锈钢点蚀影响因素

2.4.1 温度

该不锈钢管道所在电厂海域为东海，属于亚热带季风气候，年平均气温为16.1℃，最高月平均气温为29.9℃，年平均湿度为81%，潮湿系数为0.72。该海域夏季温度较高，湿度较大。刘学庆[5]关于温度对海洋钢结构腐蚀影响的研究表明，在一般情况下，温度升高使化学反应速度增加，加重腐蚀，但对于一些板材来说温度升高反应速度可能降低，溶解氧的浓度也是一项影响腐蚀的因素，温度升高溶解氧含量减少，腐蚀减缓。在一般的干大气环境中，由于湿度很低，低于金属的临界湿度，温度对腐蚀的影响不是很明显。而对于近海大气这种湿度很高的环境，环境湿度往往大于或接近金属的露点温度，此时温度升高金属腐蚀加重。

2.4.2 Cl-浓度

Cl-是一种腐蚀加速剂，对不锈钢的点蚀有很大影响。近海湿度高，使金属表面存在一层水膜，水膜中含有许多离子形成强电解液，氯离子的存在增加了导电性，随着氯离子的增多海水的腐蚀越来越严重。氯离子能破坏钢结构表面的氧化膜，并能和金属离子水解产生络合物，后者能产生氢离子，使得腐蚀更加严重。

2.4.3 干湿交替

四季交替昼夜变化使核电厂不锈钢管道长期处于干湿交替的环境中，刘刚[6]等人研究了滨海电厂腐蚀，指出干湿交替影响钢结构表面的盐浓度从而影响腐蚀速率。日照时间过长将导致金属表面水膜的消失，降低表面的润湿时间，腐蚀总量减小。另外降雨、风速对金属表面液膜的干湿交替频率也有一定的影响。在海洋大气区金属表面常会有真菌和霉菌沉积，这样由于它保持了表面的水分，影响了干湿交替的频率，从而增强了环境介质的腐蚀性。

3 改进措施与建议

3.1 涂层修复

M.Oosterbroek等研究了涂层的老化规律，昼夜温差变化引起的张力变化会导致涂层发生开裂，同时紫外线对涂层老化有一定影响[7]。因此，建议定期对管道表面涂层进行检查，及时修复缺陷涂层。涂层修复或者新管道涂装时，选择抗张力性能和紫外线性能较好的涂层。

3.2 材料替代

Cr、Mo、N等元素能大大提高不锈钢的耐点蚀性能，为了提高不锈钢的钝化和再钝化能力，选用高Cr、Mo、N含量的奥氏体、奥氏体+铁素体双相不锈钢替代该不锈钢管道。在经过论证可用的前提下，还可以选用高分子材料替代该不锈钢材料。

4 结语

滨海核电厂使用了大量的不锈钢管道输送流体，一旦不锈钢管道发生腐蚀穿孔，将影响管道的正常运行及设备人员安全，因此应重视不锈钢管道的腐蚀管理，从管道设计到服役阶段，均应进行腐蚀分析，避免因不锈钢管道腐蚀导致的安全事件发生。