核電廠安全殼鋼襯里的腐蝕防護與控制初探

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(蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

安全殼鋼襯里是防止核泄漏的第三道安全屏障，根據(jù)設計要求，鋼襯里需在事故工況下保持密封性、完整性，從而保證放射性物質在事故工況下不釋放至大氣中。鋼襯里由底板、截椎體、圓柱形筒壁和穹頂組成，工程建設期間鋼襯里必需經過目視、滲透、射線、超聲檢測等多道嚴格的檢驗，以保證安全殼鋼襯里的密封性。

國內外經驗反饋表明，腐蝕是鋼襯里老化的主要形式，隨著服役時間增加，安全殼鋼襯里因腐蝕導致老化降質的趨勢逐漸增加，影響了安全殼結構的整體密封性，一旦腐蝕穿孔，不僅維修難度和風險較大，還需要進行整體或局部密封性試驗以驗證維修效果，影響大修工期，造成較大經濟損失。本工作結合國內外鋼襯里腐蝕事件分析了鋼襯里腐蝕的主要影響因素，并從腐蝕防護角度出發(fā)，探索有效的管理措施，以期為保證壽期內安全殼鋼襯里整體密封性提供技術支持。

1 經驗反饋

鋼襯里腐蝕作為安全殼老化的原因之一，一直受到國內外核電行業(yè)的重點觀注。美國和法國在鋼襯里腐蝕方面已進行了大量研究，NRC(美國核管會)多次發(fā)布信息公告[1-4]，通告美國各核電廠對于鋼襯里腐蝕應予以重點關注，同時采取有效的管理措施，以保證壽期內鋼襯里的整體密封性能。

通過對現(xiàn)有可查的美國各核電廠鋼襯里歷次檢測報告進行梳理與總結，發(fā)現(xiàn)美國核電廠曾發(fā)生了多起安全殼鋼襯里涂層劣化、防潮屏障劣化、鋼襯里內側和外側腐蝕的事件，見表1[5-6]。

由表1可見:核電廠發(fā)生了多起涂層劣化腐蝕和鋼襯里內側腐蝕，涂層劣化和鋼襯里內側腐蝕較易被檢查發(fā)現(xiàn)，危害較小。

鋼襯里防潮屏障老化引起的鋼襯里腐蝕在美國各電廠發(fā)生的概率較高，腐蝕減薄程度也較嚴重，法國900MW機組和國內某核電廠機組都曾發(fā)生過防潮屏障失效造成鋼襯里厚度嚴重減薄的事件,6 mm厚的鋼襯里減薄至僅1.5 mm[7]。

鋼襯里外側腐蝕事件較少，但是發(fā)現(xiàn)時已腐蝕較深甚至穿孔，后果非常嚴重，如表2和圖1所示[5]。由于其隱蔽性，現(xiàn)在報道的鋼襯里外側腐蝕可能只是一小部分，大部分腐蝕需清除混凝土才能發(fā)現(xiàn)。根據(jù)目前對鋼襯里腐蝕機理認知程度以及檢測、維修/更換的難易程度，對以上各種腐蝕引起的風險進行評估，采用經驗分析方法，判定風險等級的高低，數(shù)值越高，風險等級越高，后果越嚴重,見式(1)。如表3所示，防潮屏障劣化和鋼襯里外側腐蝕后果最為嚴重。

表2 美國核電廠鋼襯里腐蝕穿孔事件統(tǒng)計Tab. 2 The statistics of NPP containment liner corrosion perforation cases

風險等級=機理認知程度+檢測難易程度+維修/更換難易程度 (1)

2 鋼襯里腐蝕機理

2.1 防潮屏障失效引起鋼襯里的腐蝕

鋼襯里防潮屏障的結構示意見圖2，由于安全殼鋼襯里截錐體防潮屏障的保護，-3.5 m以下的鋼襯里屬于目視檢查的不可達區(qū)域。

日本曾對不涂防護層的低碳鋼進行掛片試驗,根據(jù)年平均銹蝕速率推算:在沿海地區(qū)和重工業(yè)區(qū)，鋼板在8.4～16.8 a的銹蝕深度為1 mm。美國的掛片試驗也表明：不刷涂層的鋼材暴露在大氣中8.5 a后的銹蝕深度為1 mm[8]。如果按照以上試驗結果進行保守預測，鋼襯里在涂層劣化情況下，40 a銹蝕深度可達到5 mm，尚不至于腐蝕穿孔。根據(jù)國內某核電廠的腐蝕檢測數(shù)據(jù)[7]和D.C.Cook電廠的數(shù)據(jù)分析[6]可知，鋼襯里腐蝕速率最快可超過0.45 mm/a，可以判定伸縮縫處鋼襯里的腐蝕為局部腐蝕。主要是防潮屏障或伸縮縫填充材料的失效引起伸縮縫中濕氣聚集，造成鋼襯里材料表面涂層局部劣化，最先發(fā)生腐蝕的地方形成“大陰極、小陽極”。

圖2 安全殼截錐體鋼襯里防潮屏障示意圖Fig. 2 Schematic diagram of containment gusset moisture barrier

2.2 鋼襯里外側腐蝕

一般情況下，與鋼襯里接觸的安全殼混凝土為堿性(pH>～13)，鋼襯里表面會形成一層致密穩(wěn)定的氧化物/氫氧化物鈍化膜，有效減緩腐蝕速率(1 μm/a)，對于厚度為6 mm的鋼襯里，在運行階段,鋼襯里的腐蝕不足以對鋼襯里的完整性造成影響。經驗反饋表明，若混凝土中存在異物，且與鋼襯里接觸，將導致腐蝕加速,見圖3。混凝土異物(如木頭或手套)富含低pH的水，其與鋼襯里接觸，由于電位的差異和水分子的存在，誘發(fā)鋼襯里局部腐蝕，并形成“大陰極、小陽極”，造成腐蝕加速，腐蝕速率可到達0.19～0.50 mm/a。

圖3 安全殼混凝土中異物引起鋼襯里外側腐蝕的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of liner outside corrosion induced by foreign matter in containment concrete

進一步展開腐蝕速率分析，假設異物和周圍混凝土有相同的電阻率，且腐蝕陽極是孤立的，而陰極無限大，即假設腐蝕電流密度很小，而陰極面積很大，如圖4所示，則有效歐姆電阻為[9]

R=ρ/4r(2)

假設陽極的腐蝕電流密度幾乎是恒定的，陽極區(qū)域發(fā)生的陰極反應相比于在無限大陰極區(qū)域發(fā)生的次數(shù)是非常少的，則腐蝕電流密度為

Jcorr=ΔE/RS=4ΔE/πrρ(3)

式中：ΔE為腐蝕電勢差；r為腐蝕陽極半徑；ρ為混凝土電阻率。

圖4 理想化的腐蝕示意圖[10]Fig. 4 Idealized schematic diagram of corrosion[10]

在腐蝕電勢差為0.25 eV的驅動力作用下，不同的混凝土電阻率和不同的陽極區(qū)域半徑的腐蝕速率如圖5所示?；炷恋碾娮杪试降?，陽極半徑越小，則腐蝕速率越大。一般大氣環(huán)境中混凝土的電阻率為10～100 kΩ·cm，跟環(huán)境的濕度有很大的關系，局部存在異物一般會導致周圍混凝土電阻率下降，腐蝕速率則會進一步提升。該模型可簡單根據(jù)混凝土的電阻率推導出異物引起的鋼襯里腐蝕速率[10]。

圖5 鋼襯里局部腐蝕速率與陽極區(qū)域的半徑和電阻率之間關系Fig. 5 The relationship between partial liner corrosion rate, anodic region radius and electrical resistivity

3 腐蝕對鋼襯里整體密封性能的影響

鋼襯里的腐蝕會降低鋼襯里的承壓能力，影響超基準工況下的安全殼整體密封性。美國SANDIA實驗室試驗研究表明：當鋼襯里的局部腐蝕深度超過50%時，極限承壓能力降低20%以上。在超壓事故條件下，鋼襯里的局部腐蝕會導致引起安全殼發(fā)生大量泄漏的壓力閾值降低[11-12]。

4 腐蝕檢測技術

對于鋼襯里的腐蝕檢查，一方面是各電廠應在預防性維修大綱中明確規(guī)定檢查的內容、周期、方法和維修處理方法等；另一方面是研發(fā)定量檢測鋼襯里腐蝕的技術。目前電廠主要采用目視檢測來評價鋼襯里的腐蝕狀況，比較適合初始普查，但具有一定的滯后性，無法實現(xiàn)對鋼襯里外側和不可達區(qū)域的腐蝕檢測。鋼襯里外側不僅是腐蝕敏感區(qū)域，更是檢測技術的核心點與難點，建議采用超聲相控陣技術對鋼襯里外側實施大面積掃查。

在鋼襯里板材一側設計矩陣式(三行四列)平底孔腐蝕坑。第一列到第四列埋深分別為4.5,3.5,2.5,1.5 mm；第一行到第三行平底孔直徑分別為12,10,8 mm。腐蝕坑表面布置相同面積的鐵皮以蓋住腐蝕坑，最后在鋼板側澆筑混凝土以模仿安全殼實際工況?；贑IVA的超聲相控陣檢測鋼襯里腐蝕3D建模及掃查路徑分布見圖6，鋼板一側將空氣參數(shù)設置為混凝土參數(shù)以模仿澆筑混凝土工況。本工作所有埋深是指腐蝕坑距離表面深度。

圖6 鋼襯里外側腐蝕檢測建模Fig. 6 Modeling of liner outside corrosion testing

通過現(xiàn)場測試及CIVA仿真得出超聲相控陣檢測鋼襯里外側腐蝕工藝參數(shù)如下:探頭頻率為100 MHz,晶片數(shù)量為64，晶片寬度為1 mm,晶片間距為0.1 mm,晶片長度為70.3 mm。

基于CIAV仿真平臺，模擬安全殼鋼襯里檢測工況在鋼襯里外側設置腐蝕坑，部分掃查結果見圖7，通過分析C掃描圖像可確定腐蝕坑的面積大小，再通過分析A掃描波形可確定腐蝕坑的埋深。

對鋼襯里板材一側設計矩陣式(三行四列)平底孔腐蝕坑全部掃查，得出相同缺陷尺寸下不同埋深所測數(shù)據(jù)和相同埋深下不同腐蝕坑尺寸數(shù)據(jù)，分別見表4和表5。

分析表4可知：同一尺寸的腐蝕坑，當埋深小于2.5 mm時測得缺陷尺寸誤差相對較小，當埋深大于2.5 mm時測得缺陷尺寸誤差相對較大,但誤差處于可接受范圍內。

分析表5可知：在同一埋深情況下，不同尺寸的腐蝕坑缺陷測出的最大尺寸都比實際尺寸大約0.5 mm，腐蝕坑尺寸越大，誤差越小。主要是由聲場旁瓣和柵瓣的干擾造成的。

對鋼襯里板材切割腐蝕坑再澆筑混凝土模仿安全殼鋼襯里實際工況，使用超聲相控陣探傷儀GEKKO，按照之前的工藝參數(shù)對模擬試塊進行大面積掃查，以C掃描成像。

(a) C掃描區(qū)

(b) A掃描區(qū)圖7 超聲相控陣掃查鋼襯里外側腐蝕及傷波分析Fig. 7 Scanning liner outside corrosion with ultrasonic phased array and the analysis of flaw echo

腐蝕坑尺寸/mm埋深/mm測得埋深/mm誤差/%101.51.388102.52.697.6103.53.8610.2104.54.0110.89

表5 相同埋深下不同腐蝕坑尺寸數(shù)據(jù)Tab. 5 Data of different sizes of corrosion cavity in the same buried depth

結果表明：第二行第二列腐蝕坑埋深設置為3.5 mm，GEEKO超聲相控陣探傷儀實際檢測其腐蝕坑埋深為3.84 mm，CIVA仿真結果為3.86 mm。實際檢測和CIVA仿真得到的C掃描圖像中的缺陷與設置的腐蝕坑幾何形狀一致，且缺陷尺寸與埋深數(shù)據(jù)都在可接受范圍內，實際檢測與仿真結果一致。超聲相控陣可實現(xiàn)對安全殼鋼襯里的大面積掃查。

5 結論

鋼襯里腐蝕以防潮屏障劣化引起的鋼襯里腐蝕和鋼襯里外側腐蝕后果最為嚴重，這是因為兩者其腐蝕較快、且隱蔽性強、難以有效檢查。本工作根據(jù)國內外腐蝕事件，結合實際現(xiàn)場的檢查情況，對這兩種鋼襯里腐蝕的主要機理和影響因素進行了分析和探討。從電廠運行管理者角度，應采取以下措施來保證壽期內鋼襯里的腐蝕得到有效控制。

(1) 電廠應在預防性檢查大綱中明確規(guī)定檢查的內容、周期、方法和維修處理方法，對目視檢查疑似缺陷應采取超聲等無損檢測手段。

(2) 在傳統(tǒng)超聲檢測的基礎上，補充使用超聲相控陣檢測技術能實現(xiàn)在不損傷鋼襯里表面涂層的前提下大面積掃描且具有較高精度，可滿足鋼襯里腐蝕檢測的需要。