核电厂循环冷却水系统热交换器海水侧腐蚀机理与防护

2022-09-08彭可馨

全面腐蚀控制 2022年8期

彭可馨袁骊江锋

（1. 中核武汉核电运行技术股份有限公司浙江分公司，浙江海盐 314300；2. 中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

核电厂循环冷却水系统为核电厂反应堆厂房、辅助厂房、汽轮机厂房等多个系统和设备的热交换器提供高质量的冷却水，而循环冷却水系统的热量则通过循环冷却水系统热交换器由海水带走。因此，循环冷却水系统热交换器的稳定运行对整个电厂的安全、稳定运行具有重要作用。

国内某核电厂每台机组设有4台循环冷却水系统热交换器，热交换器由壳侧筒体、管侧水室、管板及传热管束四大部分构成。壳侧介质为除盐水，管侧介质为海水，通过管侧海水对壳侧除盐水进行冷却。

1 腐蚀机理

1.1 管侧水室腐蚀机理

该电厂循环冷却水系统热交换器海水侧水室材质为碳钢，容易受到冲刷腐蚀，此外还会发生电偶腐蚀、化学腐蚀等。其中，冲刷腐蚀是水室降质最主要的影响因素，与冲刷腐蚀直接有关的因素有流速、流型（流动状态）、表面膜和第二相[1,2]。

（1）流速。热交换器的启停关系到流速的变化，在这期间容易发生冲刷腐蚀。某核电厂早期运行期间发生过因流速较大而对管板及表面衬胶造成较为严重冲刷腐蚀的案例，充分说明流速与冲刷腐蚀速度相关；

（2）流型。流型不仅取决于流体的流速，而且与流体的物性有关，也与设备内部的几何形状有关。从水室进入下游管道时，管径发生了变化，水室靠近管口处也容易发生冲刷腐蚀；

（3）表面膜。材料表面与介质接触后生成的保护膜。对碳钢而言，随流速增大，从层流到湍流，表面腐蚀产物膜的沉积、生长和剥离对腐蚀均起着重要作用。从水室进入下游管道，管径发生了变化，流速加快，腐蚀产物膜难以沉积，因而水室靠近管口处容易发生冲刷腐蚀；

（4）第二相。核电厂用于冷却的海水泥沙含量大，水中的固体颗粒的存在进一步加速了材料腐蚀过程。电厂个别水室内壁金属基体上发现局部有浅坑的存在，若基体不加防护直接暴露在泥沙含量较高的海水中，基体材料将会持续受到固液两相的冲刷腐蚀，日积月累将造成容器内壁减薄。另外，海生物附着在蚀坑上会形成氧浓差，从而加速腐蚀进程，局部位置甚至可能会在短时间内发生穿孔。

1.2 管板腐蚀机理

水室管板材质为纯钛板，通过管板将壳侧筒体和管侧水室隔离开，管板的完整性对二回路和三回路的分离至关重要。

在水室流体进入钛管过程中，流体从大管径转到小管径的过渡区容易形成湍流。受到湍流冲刷腐蚀的金属表面常常呈现深谷或马蹄形的凹槽，一般按流体的流动方向切入金属表面层，腐蚀凹槽光滑没有腐蚀产物，因而距离管口位置较近的管板容易发生湍流腐蚀，如图1所示。

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图1 管板冲刷腐蚀形貌

1.3 传热管腐蚀机理

循环冷却水系统热交换器材质为美国ASTM B338标准要求的2级有缝焊接钛管，等同于我国牌号为TA1级工业纯钛管。管壳式换热器入口管端的“进口管腐蚀”为典型的由湍流引起的冲刷腐蚀。由于流体从大管径突然流入小管径，介质的流型改变而引起湍流中的严重腐蚀，如图2所示。

图2 管口冲刷腐蚀形貌

2 防护方案

该核电厂对循环冷却水系统热交换器海水侧水室内壁金属使用的防腐蚀保护方法是衬胶保护法、涂层保护法。

2.1 水室内壁防护方案

循环冷却水系统热交换器自投用以来共采用过三种方法对水室内壁进行保护。第一种为氯丁橡胶（CR），因效果差已不使用；第二种为由自硫化溴化丁基胶板与预硫化溴化丁基胶板搭配构成的复合衬胶（以下简称为“复合橡胶（BIIR）”）；第三种为高固态环氧涂层。

（1）衬胶保护

水室内部常见的保护材料是复合橡胶。衬胶防护层由两层橡胶板构成，底层为自硫化溴化丁基胶板，面层为预硫化溴化丁基胶板。

复合橡胶使用过程中存在局部破损，通常在复合橡胶表面使用高固态环氧涂层进行保护,延长衬胶使用寿命。热交换器运行期间会产生振动，衬里因而受到张力，涂层延展性较差，检查发现涂层局部出现小区域剥落现象，但涂层下方衬胶未见劣化；

高固态环氧涂层具有防腐蚀性能优异、粘接强度高、化学稳定性能好等特点。与橡胶衬里相比，涂层衬里施工及维护成本更低，降低约30%。

2.2 管板防护方案

为避免管板受到冲刷腐蚀，对管板表面涂覆高固态环氧涂层，根据历次检查发现保护效果较好，维修方便，成本低，如图5所示。

2.3 传热管防护方案

降低腐蚀程度的最佳方法是正确选材。钛在海水和许多氯化物水溶液中有优良的耐腐蚀性，其疲劳性能实质上不受环境影响[3]。图6为工业纯钛和中等强度近α钛合金Ti5111在空气和海水疲劳腐蚀扩展速度趋势的对比图，可见工业纯钛抗海水疲劳腐蚀性能更令人满意。

图6 工业纯钛和中等强度近α钛合金Ti5111在空气和海水中疲劳扩展速度趋势

3 水室多种防护措施有效性评价

核电厂对于循环冷却水系统热交换器水室防腐蚀方法一直在探究，从第一种氯丁橡胶（CR）到第二种复合橡胶（BIIR）和第三种高固态环氧涂层。

该核电厂早期使用氯丁橡胶（CR）进行防护，但5年左右出现衬胶老化剥落，掉落的胶条缠绕附着于管板表面甚至造成管板大面积损伤、传热管大量穿孔。后改为复合橡胶衬里，使用多年后的衬胶表面附着少量海草，局部浅表面龟裂，但整体性能良好。对比使用5～6年的两种橡胶衬里性能，相关数据[4]表明复合橡胶整体性能较好，如表1所示。

表1 使用5～6年后橡胶性能对比

核电厂连续多年监测复合橡胶硬度值，8年后衬胶整体趋向硬化，结果均在合格范围内（如表2所示），性能减弱。根据核电厂相关文献研究表明每8年更换衬胶性价比最高，因为此时衬胶性能已大幅下降，继续维护会耗费大量维修成本。

表2 使用8年后复合橡胶性能

使用高固态环氧涂层的水室，在使用8年后涂层局部存在小鼓泡，如图7所示。初步计算得知涂层年均损耗约为17.5μm（水室内部涂层厚度500μm），涂层局部存在小鼓泡，鼓泡最大直径约1mm。通过使用湿海绵电火花仪检测涂层表面，没有发现漏点涂层完整。一般情况下涂层缺陷多数为机械损伤，使用同类涂料进行修复即可。