礦物絕緣伴熱帶在核電硼加熱系統(tǒng)中應(yīng)用

盧垠西 廖信全 張 甬 徐微分

(1中廣核工程有限公司，深圳 518120；2博太科上海技術(shù)研究中心，上海 201114)

從國內(nèi)引進的第一套基于CPR1000二代半技術(shù)法國M310技術(shù)的核電機組開始，硼加熱系統(tǒng)中伴熱帶的應(yīng)用就延續(xù)著國外的標準采用進口304L外護套材質(zhì)的MI礦物絕緣電伴熱帶（以下簡稱MI伴熱帶）。隨著核電項目國產(chǎn)化進程的深入，對于電伴熱帶的國產(chǎn)化以及應(yīng)用選擇也有了新的要求。本文針對國產(chǎn)MI伴熱帶在核電應(yīng)用中的情況做了一定的試驗與分析。

1 伴熱系統(tǒng)中核心部分

核電硼加熱系統(tǒng)中裝有重量百分比大于10%的硼酸溶液的管道，因為高濃度的硼酸析出溫度比管道電伴熱系統(tǒng)用于防凍保護系統(tǒng)時更為嚴格，所以需要采用關(guān)鍵過程控制，將運行溫度范圍控制在流體結(jié)晶溫度之上，以防止在正常和異常運行工況下堵塞管道[1]。作為在硼加熱系統(tǒng)中應(yīng)用最多的MI伴熱帶，也成為伴熱系統(tǒng)中核心部分。

2 MI伴熱帶外護套材質(zhì)

當前，國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場中常用到的MI伴熱帶外護套材質(zhì)主要有304L,321,316L，以及825材質(zhì)幾種。前三種材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，其中304L是一種通用性的低碳不銹鋼；321是以鈦，鈮加鉭、鈮穩(wěn)定化的不銹鋼；低碳不銹鋼316L含有鉬，高溫下材料的機械性能良好；825合金則屬于鎳鐵鉻鐵系鎳基耐蝕合金。

奧氏體不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能和加工性能,所以被廣泛應(yīng)用于核電項目中；又由于奧氏體不銹鋼在核電工業(yè)應(yīng)用中有可能存在輻照促進應(yīng)力腐蝕破裂(IASCC)[2]的情況,盡管硼加熱系統(tǒng)位置并不處于核電堆內(nèi)，仍然有必要驗證輻照對伴熱帶的腐蝕影響。

3 不銹鋼抗腐蝕性能

不銹鋼在一般環(huán)境的空氣或淡水環(huán)境中發(fā)生腐蝕，表面會形成一層致密的氧化膜，使鋼鐵腐蝕過程受到抑制。海洋環(huán)境的空氣氯離子含量較高，而氯離子很容易置換氧化膜中的氧破壞氧化膜，這就使在一定濃度的氯離子環(huán)境下很難建立穩(wěn)定的鈍態(tài)。而不銹鋼中的鉬，可降低氯離子對鈍化膜的破壞。隨著氯離子在設(shè)備上的積累，氯離子的濃度會越來越高，對不銹鋼的腐蝕性會越來越大[3]。

雖然大多數(shù)不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能，但在海水和其他氯化物溶液環(huán)境下，仍存在點蝕現(xiàn)象，點蝕是不銹鋼腐蝕失效的主要形式之一[4]。國內(nèi)大多數(shù)核電站建站選擇在沿海地區(qū)，核電項目施工周期長，硼加熱電伴熱系統(tǒng)從貨到現(xiàn)場開始施工到安裝調(diào)試完畢整個過程需要3年左右時間，雖然現(xiàn)場對伴熱帶的保存已經(jīng)采取了相對應(yīng)措施，但沿海的海鹽環(huán)境氣候以及現(xiàn)場施工條件的限制，依然會對礦物絕緣伴熱帶造成一定的影響。

4 海洋環(huán)境對MI伴熱帶性能影響

出于海洋環(huán)境對MI伴熱帶性能影響的考慮，本文從海鹽腐蝕方面通過試驗對核電現(xiàn)場如何選擇最合適的外護套來滿足應(yīng)用要求，進行了論證,下面是鹽霧試驗具體內(nèi)容：

4.1 礦物絕緣伴熱帶鹽霧實驗

試驗采用5%+1的氯化鈉鹽水溶液，溶液PH值調(diào)在中性范圍（6.5～7.2）作為噴霧用的溶液,試驗溫度取35℃+2，鹽霧的沉降率在1～2ml/80cm2.h之間[4]。

本次實驗設(shè)計沒有采用將產(chǎn)品在鹽霧和濕熱兩種環(huán)境條件下交替轉(zhuǎn)換的交變鹽霧試驗方法，是考慮到現(xiàn)場礦物絕緣伴熱帶一旦安裝完畢，會使用導熱膠泥將伴熱帶完全貼敷在硼酸管道上，并使用保護罩予以保護，因此，伴熱帶正式投運后，可以認為基本與鹽霧環(huán)境隔離，所以認為采用中性鹽霧試驗已經(jīng)可以模擬核電項目礦物絕緣伴熱帶極限情況下的儲存和安裝調(diào)試條件。

試驗選取了4種外護套材質(zhì)的礦物絕緣伴熱帶，在鹽霧試驗下，伴熱帶變化見表1鹽霧試驗數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計表和鹽霧試驗報告。

表1 鹽霧試驗數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過上述試驗可以看出，MI伴熱帶不同外護套材質(zhì)的產(chǎn)品在鹽霧實驗外觀腐蝕的耐受能力存在一定差距。對銹蝕情況做了進一步分析，根據(jù)不銹鋼在含有氯離子的環(huán)境中容易出現(xiàn)點腐蝕（指在金屬材料表面大部分不腐蝕或者腐蝕輕微，而分散發(fā)生的局部腐蝕）的傾向，一般點腐蝕的孔徑都小于1mm，深度都小于孔徑，需通過使用掃描電子顯微鏡和能譜儀對鹽霧試驗后外護套表面生成的銹點進行定性分析。

采用分析設(shè)備對鹽霧試驗樣帶外護套銹點取樣表面形貌分析和深度檢測，同時對微區(qū)化學成分進行分析。掃描電子顯微鏡聚焦電子束在樣帶外護套表面逐點掃描成像，高能量電子束與所分析外護套銹點物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信息被能譜儀接收并處理后，得到表征X光射線光子的能量以找到相對應(yīng)的元素。可對元素進行定性分析，本實驗利用分析儀器原理得出了定性分析的能譜圖如下。

表2 鹽霧試驗報告

圖1 316L鹽霧試驗樣帶譜圖

表3 316L鹽霧試驗樣帶檢測報告

圖2 321鹽霧試驗樣帶譜圖

表4 321鹽霧試驗樣帶檢測報告

圖3 304L鹽霧試驗樣帶譜圖

表5 304L鹽霧試驗樣帶檢測報告

實驗取樣了304L,316L,321，825合金不同材質(zhì)的樣帶外護套，各選取了7個批次，以72h為鹽霧試驗的周期，試驗過程中不同批次的304L樣帶經(jīng)過22h/48h/66h開始生銹，不同批次的316L樣帶經(jīng)過17h/24h/72h開始生銹，不同批次的321樣帶經(jīng)過24h/48h/72h開始生銹，不同批次的825合金樣帶經(jīng)過數(shù)小時均未生銹；其中321樣帶取樣數(shù)量多于其他樣帶，而生銹數(shù)量和其他材質(zhì)樣帶持平，總體生銹數(shù)量占比低于其他材質(zhì)樣帶，更能說明321材質(zhì)樣帶銹蝕幾率低于304L和316L樣帶。

從實驗報告綜合表象來看825合金材質(zhì)樣帶耐腐蝕能力最優(yōu)，316L的耐腐蝕能力遜色于321材質(zhì)卻好于304L材質(zhì)樣帶，但表面生成的產(chǎn)物成分未知，并不能完全定性哪種外護套適用于硼加熱系統(tǒng)的伴熱帶。那么，根據(jù)能譜圖（圖1，表3），（圖2，表4），（圖3，表5）對比分析了鹽霧試驗對三種不銹鋼材質(zhì)造成銹蝕的因素，其中，316L樣帶的譜圖顯示出具有龜裂狀的產(chǎn)物生成，同時從元素成分上可發(fā)現(xiàn)存在氯元素，屬于點蝕腐蝕。321樣帶的譜圖顯示出表面銹蝕形成了顆粒狀的產(chǎn)物，經(jīng)測定產(chǎn)物成分中含有氯元素，局部范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)銹蝕小孔，傾向于點腐蝕；304L樣帶的譜圖顯示出表面具有龜裂狀的蝕坑，并形成了顆粒狀深色產(chǎn)物，經(jīng)測定產(chǎn)物成分中也存在氯元素，局部范圍內(nèi)出現(xiàn)銹蝕小孔，完全屬于點腐蝕范疇，按腐蝕程度來看優(yōu)劣依次為825合金最優(yōu)，其次為321，316L和304L。

綜上所述，考慮825合金材質(zhì)外護套公認抗腐蝕能力強但造價高，316L材質(zhì)中含有鉬元素（具有抗腐蝕能力），而電伴熱外護套由直徑為30mm，外徑為2.4mm，長度為1m，的不銹鋼管拉伸成伴熱帶直徑為3.2mm，壁薄僅為0.25mm，表面積放大了9.6倍，管材中的雜質(zhì)以及各種不穩(wěn)定因素也被放大了數(shù)倍，321材質(zhì)外護套熱穩(wěn)定性和熱加工性良好，因此抗點腐蝕能力略強于316L,良好的熱加工性使其拉伸成型后，伴熱更不易出現(xiàn)不穩(wěn)定雜質(zhì)來導致點腐蝕。因此加熱系統(tǒng)礦物絕緣伴熱帶的外護套建議選用表面銹蝕最輕微的321材質(zhì)不銹鋼，并配合帶有緩蝕劑的導熱膠泥嵌敷來應(yīng)用。導熱膠泥將外護套與空氣隔離，杜絕了外護套與海洋環(huán)境的空氣氯離子接觸，這樣氯離子很難置換氧化膜中的氧破壞氧化膜，提高了抗腐蝕能力，確保MI伴熱回路在整個使用周期中基本不受核電海鹽環(huán)境的影響，可以滿足核電技術(shù)應(yīng)用的需求。

[1]核電廠管道電熱系統(tǒng)設(shè)計和安裝，EJ/T 642-92

[2]李紅梅；楊武；蔡珣；呂戰(zhàn)鵬 ；奧氏體不銹鋼輻照促進應(yīng)力腐蝕破裂的模擬研究

[3]李昌林；曲艷陽；對核電用不銹鋼腐蝕的研究和分析

[4]占峰；喬利杰；褚陽武；張繼枚；齊新；321不銹鋼點蝕電位影響因素的研究

[5]電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗 Ka：鹽霧 CB/T 2423.17-2008/IEC 60068-2-11：1981