干空气保养对核电厂停机期间二回路设备腐蚀控制的研究

2022-09-16邓清泉

中国核电 2022年2期

邓清泉，王骏

(福建福清核电有限公司，福建福清 350300)

核电厂机组无论是实行例行缺陷检修还是换料大修，都不可避免的要停止运行。在此期间，电厂二回路介质(包括水、汽)均排空，金属设备直接接触大气，残留的积水以及蒸汽在金属表面凝结形成水膜，进而发生腐蚀，表现为短时间内金属表面出现大面积的浮锈，其下是腐蚀坑或蚀孔。该类腐蚀对设备造成的破坏在短期内虽不明显，但在随后的运行阶段，已经发生腐蚀的部位，会逐步发展为更具破坏性的点蚀；同时，因腐蚀产物迁移至蒸汽发生器，在其管板或缝隙沉积，又会引起蒸汽发生器内部缝隙腐蚀和应力腐蚀[1]，这类腐蚀将极大地威胁设备性能安全，缩短设备使用寿命。核电厂停机期间金属设备产生的腐蚀产物还增加了机组启机前二回路水冲洗合格的难度，推迟了机组并网后水汽质量达到正常运行标准值的时间，一定程度上影响了机组的经济效益。因此，停用期间对热力设备采取有效的保养措施防止腐蚀十分必要。福清核电1-4号机组自投产以来，在大修停运期间，未对二回路设备进行可控的保养措施，这些设备在大修期间绝大部分时间暴露在大气中，会造成设备的严重的腐蚀，尤其是同时还存在沉积物或者污泥的除氧器和凝汽器的水室等部位，设备腐蚀的存在对二回路设备的运行造成了极大的威胁。

1 停机腐蚀

1.1 停机腐蚀

停机腐蚀主要是大气成分中的H2O和O2在金属表面与金属发生电化学作用导致的腐蚀。根据金属表面的潮湿程度可以将大气腐蚀划分为干环境、湿环境和潮湿环境[2]。

干环境下腐蚀：主要是指金属表面没有水膜存在下发生的腐蚀，即在金属表面生成一层厚度约为0.1～0.4 nm的肉眼不可见的氧化膜，对金属没有明显的破坏作用。

湿环境下腐蚀：指金属材料在厚度1 mm以上可见水膜环境下发生的腐蚀，腐蚀过程与金属完全沉浸在电解液中的电化学腐蚀类似。

潮湿环境下腐蚀：指在金属表面吸附厚度1～100 μm的肉眼不可见薄液膜，大气中的O2透过薄液膜达到金属表面，从而发生电化学腐蚀。根据研究发现，三种环境下的腐蚀速率见图1，潮湿环境下的腐蚀速率相对于干环境下要大很多。

图1 金属表面薄液膜厚度与腐蚀速率的关系Fig.1 Relationship between the thickness of thin liquid film on metal surface and corrosion rate

停机期间二回路设备发生的腐蚀即为潮湿环境薄液膜下的电化学腐蚀，暴露在大气中的金属材料因积水蒸发或环境中水蒸气的凝结在其表面凝聚成厚度为1 μm～1 mm的薄液膜，形成电化学腐蚀的环境。

1.2 腐蚀机理

核电机组二回路的热力设备的金属基本为碳钢。停机期间，碳钢表面由于积水蒸发或环境中水蒸气的凝结形成薄液膜，然后O2透过薄液膜至碳钢表面发生电化学腐蚀，阴极过程为氧的去极化，阳极过程为金属的溶解。碳钢停机腐蚀机理见图2。

图2 碳钢停机腐蚀机理Fig.2 The shutdown corrosion mechanism of carbon steel

阳极过程：

一般认为碳钢腐蚀的阳极过程为Fe失去电子变成Fe离子的过程：

Fe→Fen++ne-

阴极过程：

大气中的氧气穿过水膜达到碳钢表面，进行还原反应：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

1.3 停机腐蚀的影响因素

影响停机腐蚀的因素主要分为环境气候因素和污染物因素[3]：包括相对湿度、薄液膜存在的时间、温度以及污染物颗粒等。

(1)相对湿度(Relative Humidity)

所谓相对湿度是指在某一温度下，空气中水蒸气含量与该温度下空气中所能容纳的水蒸气的最大含量的比值(一般以百分比表示)，即：

相对湿度(RH)

从停机腐蚀的机理可得知，薄液膜的存在是停机腐蚀的基本条件，而薄液膜的形成又与大气的相对湿度密切相关，因此相对湿度是影响停机腐蚀的关键因素之一。大气中的相对湿度越大，则越有可能在碳钢表面形成薄液膜，以金属的临界相对湿度为界限。当空气中相对湿度达到某一个临界值时，空气中的水分即在碳钢表面形成薄液膜，从而加速电化学腐蚀过程的发展，此时的相对湿度称为金属腐蚀的临界相对湿度。一般来说，碳钢的临界相对湿度为65%。

(2)薄液膜存在的时间

碳钢表面形成的薄液膜覆盖在碳钢表面的时间成为薄液膜存在的时间，即碳钢表面开始发生电化学腐蚀的时间，因此薄液膜存在的时间越长，碳钢腐蚀的总量的就越大。

(3)温度

温度也是影响大气腐蚀的重要因素之一，一方面温度可以影响碳钢表面薄液膜形成的速度；另一方面又可以影响电化学腐蚀的反应速度。当相对湿度低于金属的临界相对湿度时，温度对大气腐蚀的影响很小。而当相对湿度大于临界相对湿度时，温度对腐蚀速度的影响就十分明显。

(4)薄液膜的成分

根据腐蚀机理中薄液膜中的阴极反应公式：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

当薄液膜中成酸性时，H+与OH-结合生成水，使得上述反应平衡往右移，加速反应；当薄液膜成碱性时，薄液膜中存在大量OH-使得平衡向左移，减小反应速度。

(5)其他影响因素

除上述几个影响因素之外，降雨及碳钢表面的洁净度对腐蚀速度也有明显的影响。降雨会增加大气中的相对湿度，同时延长薄液膜存在的时间，加速碳钢大气腐蚀过程。碳钢表面越粗糙则越容易形成薄液膜，就越容易发生大气腐蚀。

2 停机腐蚀的控制

2.1 降低环境的相对湿度

在福清核电机组换料大修时，排空后二回路碳钢设备即暴露在空气中，二回路管道和容器残余了大量的积水，在停机余温下进行蒸发导致环境中的相对湿度增大，达到临界相对湿度后，便在碳钢表面形成薄液膜，产生电化学腐蚀。

因此降低环境相对湿度，首先需要将二回路管道和容器内部残余的积水进行清理，二回路几乎所有的容器内部均含有大量积水。在这些容器打开人孔的第一时间将内部积水进行清理，可以很明显地减少环境的相对湿度。

此外厂房环境的相对湿度较大的时，也会增加二回路管道和容器内部的相对湿度。降低湿度的第二种方法即使用干燥的气体替换二回路管道和容器内部相对湿度大的空气。干燥的气体可以采用氮气或者压缩空气。因氮气具有窒息风险，因此采用相对湿度小的压缩空气进行替代。

2.2 减少薄液膜存在的时间

减少薄液膜存在的时间即尽早降低环境的相对湿度，使管道和容器内部处于一个干燥，相对湿度小的氛围。二回路排水到开人孔最快的时间为4～5天，在开人孔的第一时间将内部积水清理干净，并连续往里通入干燥的压缩空气，降低其相对湿度，减少薄液膜存在的时间，即可大大地减少停机腐蚀总量。

2.3 保持碳钢表面的洁净度

在福清核电机组二回路设备中，凝汽器热阱和除氧器底部存在大量的腐蚀产物和杂质，这些杂质不仅会降低碳钢的临界相对湿度，加速薄液膜的形成，而且溶于薄液膜后形成酸性物质加速电化学腐蚀。

3 应用情况

在2018年度4号机组大修(7月份401大修)、3号机组大修(12月份302大修)期间，首次对二回路热力设备容器进行全覆盖式保养，保养方法采用的是干空气保养法。在大修期间实施干空气保养的设备有： 1/2级复合式低压加热器、第3、4级低压加热器、低压加热器疏水箱、除氧器、第6、7级高压加热器、凝汽器、汽水分离再热器及其疏水箱和凝结水箱。这些设备所处的厂房均环绕有压缩空气的总管，总管引出的分配支管向厂房四周的气动工具供气，每个用气点处设置一个隔离阀和一个快速拆卸接头。压缩空气管内在室温26 ℃时，相对湿度为13.5%RH，远低于碳钢的临界相对湿度。

大修期间，大部分二回路设备会打开人孔门，在人孔门处安装防异物保养盖板(且盖板中间有通气孔)，采用塑料软管从就近压缩空气阀门引出压缩空气，再通过气体分配器通入设备中。对于未开人孔的设备或者高/低压加热器的汽侧，则需通过仪表管道或者化学清洗管道通入压缩空气。同时在人孔门处使用温湿度测量仪测量容器内部的相对湿度，保养合格的指标为<60%RH[4-5]。实施情况见图3。