核電廠設(shè)備及管線保溫層下腐蝕與防護(hù)技術(shù)

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電廠設(shè)備及管線保溫層下腐蝕與防護(hù)技術(shù)

方奇術(shù) 劉洪群 鐘趙江

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電廠設(shè)備及管線保溫裝置普遍。隨著機(jī)組運(yùn)行時間增加，保溫層下腐蝕（CUI）問題日益嚴(yán)峻。結(jié)合核電廠實際運(yùn)行工況，針對保溫層下腐蝕機(jī)理、監(jiān)測技術(shù)及防腐措施進(jìn)行調(diào)查研究，對在役核電廠解決CUI問題提出建議及方案。

核電廠 保溫層下腐蝕 腐蝕檢測 涂層

0 概述

保溫通常是保溫、保冷和防燙傷裝置的統(tǒng)稱，保溫是提高能源利用率的重要措施之一，同時還涉及到設(shè)備及管線的熱平衡，關(guān)系到裝置能否安全高效的運(yùn)行。核電廠一回路、二回路以及相關(guān)輔助系統(tǒng)設(shè)備及管線都大量設(shè)有保溫層，保溫措施在核電廠應(yīng)用廣泛，而當(dāng)前各個核電廠對保溫層下設(shè)備及管線腐蝕問題卻并未引起足夠重視，尤其是核安全級設(shè)備及管線。

保溫層下腐蝕 (Corrosion Under Insulation，CUI)是指發(fā)生在施加了保溫層材料的管道或設(shè)備外表面上的一種腐蝕現(xiàn)象。早在1956年就有保溫層下不銹鋼設(shè)備外表面的應(yīng)力腐蝕開裂報道，世界能源危機(jī)的爆發(fā)促進(jìn)了保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用，在取得顯著的節(jié)能效果的同時也誘發(fā)更多CUI事故的發(fā)生。CUI會造成嚴(yán)重的安全隱患，發(fā)生物料泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)和爆炸事故，給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失并產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。特別是在保溫節(jié)能技術(shù)廣泛應(yīng)用的石油化工行業(yè)，超過60%的管道故障是由CUI引發(fā)，所需維護(hù)費(fèi)用超過總維護(hù)費(fèi)用，每年由于CUI導(dǎo)致設(shè)備和管道發(fā)生的跑、冒、滴、漏故障以及非正常停車所造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元。圖1為保溫層下腐蝕形貌。

圖1 保溫層下腐蝕形貌

1 保溫層下腐蝕機(jī)理及影響因素

1.1 保溫層下腐蝕機(jī)理

帶保溫層的設(shè)備或管道若蒸汽屏障、防雨材料、保溫材料安裝不當(dāng)、檢修期間維護(hù)不當(dāng)以及保溫外防護(hù)層在使用過程中受到外界損傷、性能劣化，上述原因都有可能造成外部水分的滲入而使得保溫材料受潮或受濕，將逐漸在保溫層與金屬外表面間形成潮濕腐蝕環(huán)境，隨著薄層電解質(zhì)液膜的聚積，保溫層包裹下的設(shè)備和管道外表面將發(fā)生腐蝕，即所謂的保溫層下腐蝕。經(jīng)驗表明，碳鋼和低合金鋼在保溫層下常發(fā)生均勻腐蝕和點(diǎn)蝕。而奧氏體不銹鋼則多為應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕，核電站中一回路及輔助系統(tǒng)管線多為奧氏體不銹鋼材質(zhì)，一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，將嚴(yán)重威脅核電站安全運(yùn)行。

水分滲入保溫材料中導(dǎo)致基底環(huán)境變潮是CUI發(fā)生的開始，此時不但保溫層導(dǎo)熱系數(shù)增大降低了保溫節(jié)能效果，而且還會在金屬表面和保溫材料間形成薄層電解質(zhì)溶液，為電化學(xué)腐蝕發(fā)生創(chuàng)造必要條件，主要的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)為：

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

生成次生腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2，在氧氣的作用下繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成最終腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3和Fe3O4，其反應(yīng)式如下：

上述腐蝕產(chǎn)物比較疏松所以一旦在金屬表面的某處發(fā)生，腐蝕就會持續(xù)下去。

保溫材料導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂原因如下，在沒有游離水時，保溫材料的鹽類不能水解形成離子，因此不會誘發(fā)應(yīng)力腐蝕，一旦保溫的防潮層或保護(hù)層被破壞，或保溫材料吸收空氣中的水，處于潮濕狀態(tài)時，在設(shè)備和絕熱材料之間就會有游離水存在，在保溫材料中的無機(jī)離子隨浸出液轉(zhuǎn)移到金屬表面，從而形成應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的條件。應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的條件是：在奧氏體不銹鋼為材料的情況下，一是特殊腐蝕劑（含氯化物的水）；二是應(yīng)力—冷加工的或焊接的管道、閥門和管件等，應(yīng)力腐蝕隨之產(chǎn)生。如果通過裂紋區(qū)做一橫斷面金相檢查，將會觀察到典型的穿晶（跨過晶粒和晶界）和分支裂紋。某石化公司使用海泡石作為保溫材料的奧氏體不銹鋼管道出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。

1.2 保溫層下影響因素CUI腐蝕影響因素

1.2.1 外部環(huán)境

根據(jù)調(diào)研，易發(fā)生CUI腐蝕的外部運(yùn)行環(huán)境主要有：(l)暴露在冷卻水塔溢出水汽的區(qū)域的管線，例如核電站生活飲用水系統(tǒng)供冷卻塔管線；(2)蒸汽排放裝置附近，例如核電站輔助蒸汽系統(tǒng)卸壓閥及排污管附近； (3)暴露干液體溢濺、濕氣和酸氣入口的區(qū)域； (4)涂層、包覆層或防潮層劣化老化的管路；(5)保溫層外罩脫落或損壞的區(qū)域；(6)保溫層系統(tǒng)所有插入和分支的管線； (7)保溫層外罩接縫處位于水平上半部，搭接以及密封不良的區(qū)域；(8)直立管線保溫的終端；(9)保溫層下碳鋼和低合金鋼的法蘭、螺栓和其它附件等，如果設(shè)備和管道由于以上一個或多個原因的存在，使得空氣中的濕氣甚至是雨水能夠進(jìn)入具有較強(qiáng)吸濕性和較差致密性的保溫層部位，造成這些部位的保溫材料處于潮濕狀態(tài)，就容易在保溫層與金屬表面之間的縫隙形成薄層腐蝕電解液膜，最終導(dǎo)致金屬材料發(fā)生腐蝕。

1.2.2 運(yùn)行工況

設(shè)備及管線運(yùn)行溫度范圍在-4℃～175℃之間最易發(fā)生CUI，核電站處于該工況管線主要有主蒸汽系統(tǒng)疏水管線、輔助給水系統(tǒng)等。其中，碳鋼和低合金鋼主要集中在-4℃～149℃之間，不銹鋼材料是50℃～150℃。溫度作為腐蝕發(fā)生的一個重要因素，同時還影響腐蝕速率的快慢等。研究認(rèn)為，CUI的腐蝕環(huán)境可看作是個封閉操作系統(tǒng)，隨著操作溫度的升高，系統(tǒng)內(nèi)的氧濃度增大，保溫層下金屬的腐蝕速率也隨之提高；伴隨持續(xù)高溫，水分在金屬表面更易蒸發(fā)，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的濃縮和沉積，增強(qiáng)該區(qū)域的腐蝕性。當(dāng)工業(yè)系統(tǒng)受循環(huán)操作溫度影響時，設(shè)備及管道將處于干濕及冷熱交替的狀態(tài)，常會出現(xiàn)CUI問題的頻繁發(fā)生。對20鋼保溫層下腐蝕行為的實驗研究表明，20鋼的CUI腐蝕速率先增后降，80℃時的腐蝕速率最大，100℃時的腐蝕速率僅比20℃時的略高。研究表明對20鋼高于100℃時鋼表面形成致密腐蝕膜，抑制了腐蝕的發(fā)展。同時，文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)處在干濕交替的過渡區(qū)域，CUI速率內(nèi)出現(xiàn)很大波動并產(chǎn)生峰值.這主要是由于高溫干燥狀態(tài)促使了腐蝕介質(zhì)的濃縮和聚積。

1.2.3 保溫材料的選擇

壓水堆核電廠內(nèi)許多設(shè)備、管道、風(fēng)管都主要使用玻璃棉、聚四氟乙烯、硅酸鈣、珍珠巖等系列產(chǎn)品。巖棉產(chǎn)品早期在大亞灣核電站里曾經(jīng)使用過，但由于其材料燃燒產(chǎn)生大量對人體有害的物質(zhì)，核電站廠中已不再使用這種保溫材料。大量實踐經(jīng)驗表明，任何一種保溫材料都無法避免CUI發(fā)生，主要是由于腐蝕發(fā)生過程中，保溫材料特性和保溫層結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用：(l)保溫材料與金屬表面間的環(huán)形空隙以及設(shè)備和管道外表面上本身存在的缺陷，都可能成為水汽和腐蝕介質(zhì)駐留的場所，從而在該部位聚集和濃縮，增強(qiáng)其腐蝕性；(2)保溫材料本身具有水溶性、滲透性和可濕性；(3)保溫材料變潮或受濕，會導(dǎo)致本身含有的有害物質(zhì)如氯化物從保溫材料中滲出，并隨著水分從金屬表面蒸發(fā)而逐漸濃縮。

美國材料試驗協(xié)會針對各保溫材料制定了相應(yīng)的材料技術(shù)規(guī)范，使得保溫材料的選擇系統(tǒng)化，并規(guī)范了保溫材料對奧氏體不銹鋼外應(yīng)力腐蝕開裂傾向影響的評估。通過系統(tǒng)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對不同體系選擇合適的保溫材料，可減緩CUI問題發(fā)生。

1.2.4 腐蝕介質(zhì)的存在

腐蝕介質(zhì)的存在會加速處于潮濕環(huán)境中金屬設(shè)備和管道的腐蝕，保溫材料在水中具有高溶解性，水解后造成導(dǎo)致局部腐蝕的酸性環(huán)境，引起金屬設(shè)備和管道過早失效。常見的腐蝕介質(zhì)以氯化物和硫酸鹽為主，特別是奧氏體不銹鋼由于保溫結(jié)構(gòu)中氯化物導(dǎo)致的外應(yīng)力腐蝕開裂問題較為突出。CUI發(fā)生只需要微量的腐蝕介質(zhì)，因此一般情況下要求用于不銹鋼材料的保溫材料中濾出氯化物含量要低于2×10-5mg/L。外部經(jīng)驗表明當(dāng)保溫材料中濾出氯化物含量僅為10-5mg/L時，就足以使加氫裂化裝置中的不銹鋼管道出現(xiàn)外應(yīng)力腐蝕開裂。

2 保溫層下腐蝕檢測技術(shù)

CUI都在保溫層下發(fā)生，使得CUI問題具有隱蔽性，從而使得核電站設(shè)備及管線例行檢查及防護(hù)工作往往要在外部保溫材料除去后才能進(jìn)行，有時甚至當(dāng)設(shè)備和管道泄漏已發(fā)生時才發(fā)現(xiàn)。

CUI監(jiān)控和檢測技術(shù)是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)研發(fā)的焦點(diǎn)問題。CUI無損檢測技術(shù)包括宏觀外部檢查、超聲波厚度測量、電磁檢測技術(shù)等技術(shù)。多數(shù)的常規(guī)無損檢測技術(shù)必須接近管線或?qū)⒐芫€暴露，設(shè)備和管道外部包裹了特定的保溫層，腐蝕現(xiàn)象都在保溫層下發(fā)生，這有別于以往直接接觸大氣環(huán)境的腐蝕問題，使CUI問題具有了隱蔽性。該性質(zhì)導(dǎo)致設(shè)備和管道的例行檢查及防護(hù)工作往往要在外部保溫材料除去后才能進(jìn)行，有時甚至當(dāng)設(shè)備和管道泄漏已發(fā)生CUI問題時才會被發(fā)現(xiàn)，給CUI監(jiān)控和檢測工作帶來難度。如果能夠及時準(zhǔn)確地檢測到CUI問題，盡早采取針對性的修復(fù)措施，就能有效地減少事故和損傷發(fā)生，因此對應(yīng)用于CUI的檢測技術(shù)有很高要求。以上也正是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)一直致力研發(fā)CUI檢測技術(shù)的原因。

目前針對CUI問題采用的檢測技術(shù)多為無損檢測技術(shù)，包括宏觀外部檢查、超聲波厚度測覺、剖面射線照相、閃光射線照相、射線實時成像、微波超聲測量、脈沖渦流技術(shù)、射線數(shù)字成像、紅外熱成像、中子散射、染料滲透檢測等，它們的適用范圍各不相同。需要結(jié)合實際條件和工況要求進(jìn)行選擇操作，很多情況下的檢測技術(shù)仍需要設(shè)備停止并拆除外部保溫層或者只能對很小的管線范圍進(jìn)行操作。這樣雖然能準(zhǔn)確定位損傷情況但是耗時又耗資，因此還是迫切需要經(jīng)濟(jì)又可行的CUI檢測技術(shù)。雖然科研機(jī)構(gòu)已開始努力研發(fā)檢測CUI問題的無損檢測技術(shù)，但能夠得到業(yè)界一致認(rèn)可的高可信度的無損檢測技術(shù)至今仍在研究中。

3 保溫層下腐蝕防腐措施

3.1 傳統(tǒng)防腐措施

保溫層下腐蝕的嚴(yán)重性在于無法及時發(fā)現(xiàn)。一般為了美觀效果，在做完保溫層后往往在保溫材料外面包覆一層不銹鋼或鋁箔。因此，往往看到保溫層下腐蝕的時候已經(jīng)太遲了，經(jīng)常導(dǎo)致各種失效事故的發(fā)生。尤其是當(dāng)運(yùn)行溫度低于150℃時，保溫層下往往會存在一定量的冷凝水。另外，保溫層下設(shè)備在建造期和定期的檢修時間內(nèi)也會形成腐蝕發(fā)生的微環(huán)境。研究表明：發(fā)生保溫層下腐蝕的概率在設(shè)備運(yùn)行5年以上后將大幅上升，而運(yùn)行10年后的保溫層中60%都含有腐蝕性冷凝水。表1是3種典型的保溫層下防腐涂料系統(tǒng)。

3.2 保溫層下防腐新技術(shù)

美國防腐工程師協(xié)會(NACE)研究證實了熱噴鋁涂層能有效預(yù)防碳鋼的CUI，其性能比傳統(tǒng)有機(jī)涂層優(yōu)越。熱噴鋁涂層性能較為出色，對設(shè)備的防護(hù)壽命可達(dá)20~30年。國際油漆總部實驗室進(jìn)行了長達(dá)7年的研發(fā)，最終成功推出了“冷噴鋁”技術(shù)應(yīng)用于保溫層下的防腐，并設(shè)計用于評價涂層性能的測試方法，經(jīng)過實驗室模擬和現(xiàn)場試用的雙重測試，得出新型冷噴鋁涂層在大幅度溫度變化條件下，仍具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐高溫性和耐熱振性。

由于核電站安全殼內(nèi)存在中子、α粒子、β粒子和γ粒子射線，輻照累積劑量高，容易出現(xiàn)表面輻射污染。發(fā)生冷卻劑失水事故時，涂層剝落可能導(dǎo)致核電站安全功能的喪失及其它潛在腐蝕隱患。因此，安全殼內(nèi)涂層具有最高的使用要求。在核電站事故工況下，鋁會促進(jìn)氫快速分離，鋅對氫分離也有一定的加速作用。因此，要求本類涂料中不含鋁粉，也盡量不使用含金屬鋅的涂料。有機(jī)硅高聚物的主鏈為硅氧鍵，其共價鍵能比普通有機(jī)高聚物中的碳碳鍵的共價鍵能大；同時，有機(jī)硅高聚物中的硅原子和氧原子形成的d-pπ鍵增加了高聚物的鍵能及其熱穩(wěn)定性，有機(jī)硅高聚物中硅原子所連接的羥基受熱氧化后，高度交聯(lián)且更加穩(wěn)定。但是，這同時也使有機(jī)硅耐熱涂料通氣性良好，使其防腐性能不能滿足一些使用條件較苛刻的場所，目前應(yīng)用的有機(jī)硅耐高溫防腐涂料多為改性或者摻雜后的有機(jī)硅聚合物耐高溫涂料。美國、日本等國研制的系列有機(jī)硅樹脂及其改性而成的涂料具有很強(qiáng)的耐高溫腐蝕性能，耐溫高達(dá)650~1400℃，并能經(jīng)受從環(huán)境溫度到1100℃的冷熱循環(huán)20次。該涂料已在DC-9飛機(jī)的熱交換器上使用。目前，國內(nèi)某核電站核級碳鋼骨架表面必須涂核級耐高溫油漆Carboline 4674改性有機(jī)硅涂料對壓力容器殼體及法蘭進(jìn)行整體涂裝。

表1 傳統(tǒng)保溫層下防腐涂料系統(tǒng)

4 結(jié)論與建議

綜上所述，CUI的結(jié)構(gòu)特殊，發(fā)生隱蔽并且范圍普遍，這就需要綜合考慮各方面影響因素。采取有效的防護(hù)和檢測措施，爭取最大程度地降低和減緩CUI發(fā)生。目前在國內(nèi)對定量和定性的CUI基礎(chǔ)性研究還沒有得到足夠的關(guān)注和重視，應(yīng)該將CUI實驗?zāi)M技術(shù)的深入開發(fā)作為以后研究工作的重點(diǎn)。優(yōu)化CUI實驗?zāi)M，不僅能促進(jìn)新型高效防護(hù)涂層的研發(fā)，還能將實驗?zāi)M形式推廣到CUI基礎(chǔ)性方面的測試及評估，深入研究CUI腐蝕機(jī)理，為完善檢測與預(yù)防措施提供更加可靠的理論依據(jù)，這樣不但可以減少CUI對管道和設(shè)備的危害，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，更能在很大程度上節(jié)約成本和開支，在安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度上都具有較為深遠(yuǎn)的意義，當(dāng)前部分核電站所制定的涂層選用導(dǎo)則并對針對保溫層下涂層選用進(jìn)行相關(guān)規(guī)定，同時對保溫層下設(shè)備及管線的腐蝕狀況的監(jiān)測未制定較為詳細(xì)措施，單靠拆除設(shè)備及保溫層進(jìn)行目視檢查，不僅花費(fèi)工期長，工作量大，主要建議如下：

(1) 制定針對適用于核電廠保溫層(保熱、保冷)下專用涂層選用導(dǎo)則；

(2) 根據(jù)實際運(yùn)行工況和外部環(huán)境差異，制定差異化的保溫安裝施工規(guī)程；

(3) 對保溫層下設(shè)備及管線腐蝕問題制定合適的預(yù)防性腐蝕檢查手段。

[1] 李君. 保溫層下防腐保護(hù)及冷噴鋁技術(shù)[J].上海涂料, 2008, 46(6): 19-22.

[2] 張耀. 核電專用涂層應(yīng)用分析[J]. 電鍍與涂飾, 2008, 27(7): 57-60.

[3] 姜瑩潔, 鞏建鳴, 唐建群. 20鋼在不同模擬條件下的保溫層下腐蝕行為[J]. 機(jī)械工程材料, 2011, 35(12): 66-70.

Corrosion and Protecting Technology of The Nuclear Plant Equipment and Pipeline Under Insulation

FANG Qi-shu, LIU Hong-qun, ZHONG Zhao-jiang
（Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China）

the equipment and pipelines insulation is widely used in the nuclear plant. With the operation time of the plant increased, Corrosion under insulation (CUI) is a swelling problem. Combined with the practical operation of plant and investigating the corrosion under insulation mechanism, monitoring technology and protecting measures, the suggestions and solutions are provided to solve CUI problems in the nuclear power plants.

nuclear plant; corrosion under insulation; corrosion inspection; coating

TG174

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0036-04

1008-7818(2014)03-0036-04

方奇術(shù) (1986－) , 男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士，主要從事核電站腐蝕與防護(hù)管理工作。