核電廠縫隙結構的腐蝕與防護

(三門核電有限公司，臺州 317112)

核電廠存在大量的縫隙結構，如換熱器管板縫隙、法蘭連接處、螺栓螺紋連接處、金屬板搭接處、儲罐邊緣板等?？p隙結構會導致縫隙腐蝕或防腐蝕可達性差：當縫隙寬度為0.025～0.100 mm時，腐蝕介質可進入縫隙且滯留其中，造成縫隙腐蝕。縫隙腐蝕一旦開始，其腐蝕速率會迅速增加并給材料帶來嚴重的破壞[1]；當縫隙結構超出縫隙腐蝕的幾何寬度時，由于結構設計不合理，雖然不會造成突發(fā)的腐蝕失效，但是由于縫隙的存在會形成復雜的結構，構件可達性差而增加了防腐蝕難度。

在核電歷史上，縫隙腐蝕曾導致嚴重的設備失效事故[2]。盡管如此，在設計、施工和預防性維修環(huán)節(jié)，縫隙結構引起的腐蝕問題在業(yè)界仍未引起足夠的重視；通過糾正性維修來處理這些腐蝕問題非常困難且代價昂貴，有時甚至無法處理?；诖?，本工作試圖對核電廠縫隙結構的腐蝕問題進行較全面的調查分析，針對不同類型的縫隙結構提出有效的腐蝕防護措施和預防性檢測建議。

1 核電廠縫隙結構的腐蝕現(xiàn)狀

對某核電廠縫隙結構的腐蝕問題持續(xù)進行了為期2 a的跟蹤調查，收集和分析了一百多個具有代表性的腐蝕案例。根據(jù)縫隙結構的幾何特征和構件服役環(huán)境的差異，將核電廠縫隙結構歸納為九類，見圖1，其中熱交換器、容器內部、法蘭密封面三類縫隙結構會發(fā)生浸泡環(huán)境中的縫隙腐蝕，其余六類結構會發(fā)生非浸泡環(huán)境中的縫隙腐蝕。某核電廠近年來由于這九類縫隙結構腐蝕導致的設備及構件降級事件統(tǒng)計結果見圖1。

圖1 某核電廠縫隙結構的分類和因其腐蝕導致的設備降級事件統(tǒng)計Fig. 1 Classification of crevice structures of a nuclear power plant and statistics of equipment degradation events caused by corrosion

2 縫隙結構的腐蝕與防護

2.1 熱交換器的縫隙腐蝕與防護

核電廠中有許多換熱設備，主要為板式和管殼式間壁熱交換器。蒸汽發(fā)生器(SG)690TT傳熱管作為一回路承壓邊界，承壓面積占比大，傳熱管的腐蝕破壞對核電廠安全運行威脅最大，其中耗蝕和凹蝕是與SG縫隙腐蝕密切相關的兩種特別的腐蝕形式。

SG二次側的水平管板或支撐板內會堆積泥渣，由于雜質的沉積與濃縮，使得與之接觸的傳熱管表面發(fā)生以點蝕、斑蝕為特征的腐蝕現(xiàn)象，稱為耗蝕。通過添加聯(lián)氨及排污等措施控制機組的水化學條件，并在大修期間采取高壓水力沖洗的措施，可基本解決耗蝕問題。

SG二次側傳熱管與管板/支撐板之間形成環(huán)形縫隙，沉積物聚集在縫隙內形成閉塞區(qū)間而發(fā)生縫隙腐蝕，比基體金屬體積大的腐蝕產(chǎn)物聚集擠壓傳熱管，造成傳熱管管徑減小而產(chǎn)生凹痕(凹蝕)，在應力作用下可能導致傳熱管破裂。采用全深度液壓脹接的加工工藝，可有效避免管板脹接處縫隙腐蝕的產(chǎn)生；AP1000 SG傳熱管支承板采用三葉草管孔結構[3]，見圖2，三葉草管孔與傳熱管平面接觸，平面接觸使傳熱管與支承板接觸點的縫隙過熱顯著減少，限制了局部化學濃縮。

圖2 三葉草管孔Fig. 2 Typical trefoil tube hole

修復SG損壞的傳熱管，最常見的方式是通過堵頭機械脹管和焊接堵塞U形管兩端管口；襯管(管中管)也是一種維修手段，因工序更加復雜，一般很少采用[4]。二回路及海水系統(tǒng)的管式熱交換器，考慮到電站的經(jīng)濟性和換熱效率，堵管不再是唯一的處理方式，使用環(huán)氧聚合物對熱交換器管板進行修復已得到工程驗證，見圖3。甚至使用環(huán)氧聚合物對常規(guī)換熱管進行修復也有不少應用。

2.2 容器內縫隙結構的腐蝕與防護

對于一回路中用于儲存含硼酸放射性水的不銹鋼容器，縫隙腐蝕是其主要的失效形式。某核電廠在熱試后，與堆芯連通的換料水箱和換料水池內發(fā)生大量的縫隙腐蝕現(xiàn)象，腐蝕位置使用了大量的螺栓和搭接結構。容器內的縫隙腐蝕危害沒有SG腐蝕的大，但是腐蝕問題難以發(fā)現(xiàn)，且腐蝕會增加放射性活化產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物脫落進入一回路形成異物而嚴重影響堆芯安全；同時，機組運行后含有較高的放射性，腐蝕結構難以維修甚至無法維修。

圖3 環(huán)氧聚合物修復管板Fig. 3 Tube sheet repaired with epoxy polymer composite

縫隙腐蝕與設備的結構形狀有很大的關系，結構復雜的設備易形成縫隙引起雜質或液體滯留，造成嚴重腐蝕。因此，一回路罐體內從設計上避免縫隙結構是唯一有效的方式，應禁止采用鉚接、搭焊、跳焊、搭接等容易產(chǎn)生縫隙的結構形式，并盡量避免采用螺栓連接結構。二回路及輔助系統(tǒng)使用襯里的容器，遵從NACE SP0178要求進行設計、制造，可有效減小和避免縫隙結構；對于無法避免的縫隙，應采用形狀簡單的縫隙結構，并進行100%填縫處理。

2.3 法蘭密封面的腐蝕與修復

在含氯化物溶液中的結構最容易發(fā)生縫隙腐蝕。海水環(huán)境中，密封面與墊片只需有合適的縫隙引起海水滯留，無論有無防護措施，都不可避免會發(fā)生縫隙腐蝕。密封面的縫隙腐蝕已成為海水環(huán)境中不銹鋼的主要失效形式之一。

密封墊的材質和尺寸對法蘭密封面的縫隙腐蝕影響較大。連接部件的墊圈、法蘭盤應采用非吸收性的材料(如聚四氟乙烯)，不宜使用石棉類材料，防止吸收潮氣[5]。在法蘭連接結構中，如果墊圈過大，墊圈邊緣就會凸出來，墊圈下就容易產(chǎn)生縫隙，發(fā)生縫隙腐蝕。如果墊圈過小，就容易產(chǎn)生沉積物，沉積物形成縫隙，也會發(fā)生縫隙腐蝕。

由于海水系統(tǒng)法蘭密封面腐蝕的高發(fā)性，有必要開發(fā)簡便快速的修復方案。傳統(tǒng)的修復方案包括更換法蘭或法蘭補焊后機加工，涉及大量的切割打磨和動火作業(yè)，所需時間較長。近年來，環(huán)氧聚合物用于法蘭密封面的修復逐漸得到認可，使用可重復利用的配對法蘭模具可實現(xiàn)對密封面的快速重塑，見圖4。

圖4 環(huán)氧聚合物修復法蘭密封面Fig. 4 Flange sealing face repaired with epoxy polymer composite

某核電廠核島廠用水系統(tǒng)，使用的AL-6XN雙相不銹鋼密封面發(fā)生了嚴重縫隙腐蝕，使用EB201陶瓷金屬聚合物修補劑成功對法蘭面進行了多次修復。黃德軍等將EB201/EB202用于核電廠904不銹鋼法蘭密封面的修復中，也取得了理想的效果[6]。

某核電廠循環(huán)水系統(tǒng)，DN4100大口徑Q235法蘭密封面出現(xiàn)縫隙腐蝕凹坑，嚴重影響冷源系統(tǒng)安全。采用EB201陶瓷金屬聚合物修補劑對法蘭面進行修復，并采用EB202對法蘭面進行整體重塑；根據(jù)ASTM D695標準測試了其抗壓強度(137.3 MPa)，該法蘭面用于支撐質量為40 t的蝶閥，密封面未出現(xiàn)變形和泄漏。這是目前國內核電站中最大尺寸的法蘭修復和重塑案例。

對于大口徑海水管道法蘭，內部使用EB202陶瓷材料進行堵縫，徹底阻斷海水進入法蘭縫隙的可能，運行3 a后未發(fā)生脫落和破損且未發(fā)生縫隙腐蝕。因此，對于大口徑法蘭，安裝適當寬度的墊片并對法蘭縫隙采取封堵措施，可以不對法蘭面進行涂裝，是一種更為可靠且經(jīng)濟的處理方式。

2.4 法蘭螺栓連接系統(tǒng)的腐蝕與防護

法蘭螺栓連接系統(tǒng)數(shù)量龐大，由于幾何形狀的復雜性，設計有效的法蘭防護方案已成為一個挑戰(zhàn)。法蘭螺栓連接系統(tǒng)的腐蝕體現(xiàn)在兩個方面：螺栓自身的腐蝕，螺栓與法蘭面/孔形成的縫隙結構的腐蝕。

國內核電廠針對螺栓等緊固件的關注主要集中在其強度及材料性能方面，尤其是高強緊固件的管理，從國家監(jiān)管層到核電業(yè)主，都十分重視[7]，但并未重視對于螺栓耐蝕性不足導致的強度降低問題。某濱海核電廠室外大量使用發(fā)黑處理的低合金螺栓，2 a內即出現(xiàn)嚴重銹蝕。對于采用碳鋼發(fā)黑、達克羅、熱鍍鋅、粉末復合滲鋅等處理工藝的四種螺栓在海洋大氣區(qū)進行了為期2 a的試用，結果表明，粉末復合滲鋅技術在海洋大氣區(qū)具有最好的防腐蝕效果。復合滲鋅技術的復合層彌補了滲鋅層耐鹽霧性能的不足，邊飛龍等[8]采用真空滲鋅+達克羅的復合涂層工藝對海洋環(huán)境中的緊固件進行防護，其耐鹽霧測試時間可達1 000 h 。核電廠所處環(huán)境為海洋大氣環(huán)境，針對緊固件，建議推廣使用復合滲鋅防腐蝕技術。

對于海水飛濺區(qū)、化學腐蝕區(qū)、冷保溫下、埋地管道、高濕冷凝環(huán)境的法蘭螺栓連接系統(tǒng)，由于縫隙結構的存在，使用更高等級防腐蝕處理的緊固件，無法徹底解決其腐蝕問題。適當提高螺栓防腐蝕等級并配合使用包覆技術是一種有效的方案，氧化聚合包覆防腐蝕技術(OTC)具有防腐蝕和介質隔離的雙重功能，施工方便、便于拆卸，已取得良好的應用效果，見圖5。其他包覆技術，包括黏彈體技術、噴涂熱塑性材料、可剝離涂層也在一定場合得到應用。

圖5 法蘭OTC包覆Fig. 5 Flange protected with OTC

2.5 邊緣板的腐蝕與防護

儲罐由于底板外圓徑向膨脹和收縮，以及儲罐的荷載變化會引起翹曲，使邊緣板和基材之間形成一條裂縫，含氯離子較高的水汽進入到底板和基材之間，長期滯留，造成底板下表面、邊緣板等部位嚴重腐蝕，保溫下儲罐的邊緣板腐蝕更為嚴重。

底板下表面尤其是邊緣板的腐蝕防護，關鍵在于切斷水汽進入底板和基材之間。黏彈體和OTC復合礦脂帶包覆技術(見圖6)具有較強的密封性能，而且有效吸收了儲罐荷載變化引起的變形，具有很好的防護效果。黏彈體和復合礦脂帶為柔性材料，外來沖擊容易破壞防腐蝕層，大型儲罐在其表面增加聚乙烯夾克后提高了整體剛度[9]。單組份丙烯酸酯共聚物乳劑，與增強帶結合后形成的彈性高分子膜具有水分無法滲透，但內部水蒸氣能滲出的特性，也得到了廣泛應用。

圖6 儲罐邊緣板OTC包覆結構Fig. 6 OTC protection details for tank base

室外行車軌道，鋼質安全殼與混凝土接縫的位置，因為存在縫隙也面臨大量的腐蝕問題，使用包覆技術，同樣可以達到容忍微量形變、密封和防腐蝕的目的。

2.6 設備基礎的腐蝕與防護

泵、風機、壓縮機等重載運轉設備的基礎，常因鋼制支撐結構的復雜性，與基座之間形成大量的縫隙結構，涂層保護等常見的防腐蝕措施不可達，這造成了嚴重的腐蝕問題。

鑒于設備基礎結構的復雜性，采用灌漿處理是比較有效的方案，見圖7。使用的澆筑材料應能抵抗惡劣的海洋環(huán)境和熱沖擊，具有良好的可澆筑性、滲透性、流平性。室外海洋大氣環(huán)境、室內酸堿環(huán)境、室內潮濕環(huán)境的設備基礎，都應該進行灌漿處理，澆筑材料對各種縫隙有良好的密封作用，屬于永久性防腐蝕解決措施。

圖7 典型灌漿示意圖Fig. 7 Typical chocking application

2.7 組合件的縫隙密封

組合件多形成搭接、對接等結構形式的縫隙，組合件可以是金屬與金屬或金屬與混凝土等其他材料。室外區(qū)域、室內化學污染區(qū)、室內潮濕區(qū)域，縫隙結構應進行密封處理以阻隔腐蝕介質的滯留。

對硅酮、聚硫、聚氨酯等3大類不同品牌的密封膠進行了試用，結果表明，它們都具有較好的自密封性和彈性。其中，聚硫密封膠用于縫隙防腐蝕密封的性能最優(yōu)，能適應不同的環(huán)境和不同的結構部位，與涂料具有良好的相容性，形成金屬底漆或混凝土封閉漆打底+聚硫橡膠密封+聚氨酯漆或氟碳漆罩面的涂裝體系。聚硫密封膠在橋梁縫隙密封中也得到了廣泛應用[10]。

2.8 管道支架的腐蝕與防護

核電廠管道采用大量的支吊架進行固定，常見的有橫梁支架、鞍座夾，以及各種管卡/夾。管道支撐處容易形成縫隙，在高壓荷載的作用下，涂層蠕動導致減薄和破損，水汽進入到縫隙內引起縫隙腐蝕。管道支撐處腐蝕(CUPS)是管道失效的主要形式之一，產(chǎn)生的腐蝕問題處理非常困難。

經(jīng)驗表明，橡膠墊和玻璃纖維墊可有效避免金屬與金屬之間的接觸，但由于材料具有吸濕性，反而會加速支架接觸點的腐蝕，減少管道使用壽命；鞍座夾的結構增加了縫隙面積，也會加速腐蝕。

采用半圓形高強度熱塑棒支撐是避免縫隙腐蝕的有效方式[11]。半圓結構使管道縫隙最小化，使金屬與金屬之間的接觸被消除，減少水汽聚集。熱塑棒與聚烯烴套U型螺栓一起使用可以使管道與支撐結構完全隔離，見圖8。

圖8 半圓形熱塑棒管道支撐Fig. 8 Half-round thermoplastic pipe support

2.9 不銹鋼小管的腐蝕與設計改進

不銹鋼小管在核電廠大量用于流體傳輸，在其安裝過程中，避免縫隙非常困難，甚至無法避免?？p隙通常存在管道與支撐之間、相鄰管道之間，以及管道表面與沉積物之間。過小的縫隙導致氧含量降低，引起縫隙內加速腐蝕。

材質對不銹鋼小管縫隙腐蝕的影響具有決定性作用，在室外海洋大氣和室內化學腐蝕區(qū)，某核電廠大量使用的304不銹鋼在2 a內大量銹蝕，316和2205不銹鋼具有較高的縫隙腐蝕臨界溫度(CCP)，縫隙腐蝕現(xiàn)象依次遞減。具有防火、耐UV的熱塑性聚氨酯擠壓成型于不銹鋼的表面，也具有較好的防腐蝕效果。

管道支撐和管卡的安裝形式對不銹鋼小管縫隙腐蝕的影響較大。塑料管卡伴隨管道形變產(chǎn)生更小的縫隙，阻止氧氣進入，室外區(qū)域不推薦使用。另外一種有效的方式是使用纖維增強塑料托架，在托架中安裝鋁合金管卡固定不銹鋼小管，由于鋁合金電位低，對不銹鋼小管產(chǎn)生陰極保護效果，鋁合金管卡腐蝕后可以定期更換[12]，見圖9。采用半圓形高強度熱塑棒支撐，也可明顯減緩不銹鋼小管的縫隙腐蝕，這也是目前使用較多的安裝形式。遺憾的是，以上措施在核電廠還沒有大面積推廣使用。

圖9 鋁合金管卡Fig. 9 Tube supports of aluminum alloy tubes

3 縫隙結構的腐蝕檢測

不具有縫隙腐蝕特征的幾何結構尺寸較大，采取防腐蝕措施后，一般無需采取預防性檢測。而尺寸較小具備縫隙腐蝕特征的幾何結構，由于腐蝕具有突發(fā)性或無法采取有效的防腐蝕措施，需要考慮采取預防性腐蝕檢測。

蒸汽發(fā)生器(SG)的縫隙腐蝕無法避免，其腐蝕和降級在核電廠已引起足夠的重視，法規(guī)和標準對傳熱管的在役檢查和二次側清洗都有強制要求。SG一次側傳熱管的渦流檢測可有效發(fā)現(xiàn)傳熱管的缺陷；二次側管板通過視頻檢查可發(fā)現(xiàn)沉積物的情況，支撐板沉積物視頻檢查也在逐步運用[13]，定期水力清洗可有效清除二次側沉積物以減少縫隙腐蝕的發(fā)生[14]。但是，核電廠其他設備及管道的縫隙腐蝕問題還未引起足夠的重視，主要維修策略還停留在糾正性維修的階段，事故后果嚴重且維修成本高。建議應對重要設備尤其是單點敏感設備(SPV)的縫隙腐蝕進行識別和篩選，采用基于風險的預防性維修策略，逐步建立縫隙腐蝕預防性檢測的維修規(guī)則。以下幾類設備的縫隙腐蝕檢測具備推廣條件。

大型儲罐底板腐蝕檢測：儲罐底板建議采用漏磁方法進行全面掃描，并用超聲測厚進行局部復驗的方式進行檢測。漏磁檢測為開罐檢測，檢測過程與底板直接接觸，通過分析底板腐蝕部位磁化后的漏磁量來定量評估該部位的腐蝕狀況，漏磁檢測靈敏度高、效率高、不受防腐蝕層的影響，對底板的腐蝕缺陷有較強的檢測能力。超聲測厚只能是抽查式的單點檢測，更適于檢測均勻腐蝕。漏磁加超聲測厚是很成熟的檢測方式，用于核電儲罐底板檢測是經(jīng)濟可行的，建議的定期檢測周期為5～7 a。大容量室外碳鋼儲罐，如消防水箱、非能動輔助儲水箱應優(yōu)先納入到定期檢測的范疇。

法蘭密封面腐蝕檢查：法蘭密封面的腐蝕在核電廠目前無定期檢查項目。由于法蘭的結構特點，使用常規(guī)射線、超聲檢測技術等是極為困難的，且可行性不強、可靠性差。相控陣檢測技術在焊縫檢測中已經(jīng)應用很多，較常規(guī)超聲檢測來言，相控陣檢測技術最大的優(yōu)點是可以解決復雜類構件和難以接近工件的檢測問題[15]，法蘭密封面腐蝕缺陷就屬于此類問題。核島海水冷卻水的不銹鋼法蘭面、高壓蒸汽管道和給水管道，保溫層下法蘭密封面由于存在管道內外同時發(fā)生腐蝕的傾向，建議定期進行腐蝕檢測。

管道支撐下腐蝕(CUPS)的檢測：CUPS檢測的難點在于對殘余壁厚的檢測非常困難。目前通常的做法是目視檢查腐蝕嚴重的支架，在停機停堆大修期間拆除管道進行檢查，勞動強度大且成本昂貴。中程磁致伸縮超聲導波掃描是一種非接觸技術，無需耦合或壓力就能產(chǎn)生導波，與傳統(tǒng)長距離超聲系統(tǒng)相比，軸向和周向的解析度都得到提高，是管道支撐下腐蝕檢測的一種成熟技術[16]。建議核電廠對目視檢查銹蝕嚴重的支架，使用中程磁致伸縮超聲導波掃描對接觸點的殘余壁厚進行精確檢測。

4 結論

(1)縫隙結構造成的腐蝕后果嚴重，整改和治理難度較大，核電行業(yè)應引起足夠重視。

(2)對九類縫隙結構的腐蝕防護方案進行了大量的現(xiàn)場驗證，使用效果較好。建議應將這些普適性原則納入到行業(yè)標準，從設計和建造環(huán)節(jié)解決縫隙結構的防腐蝕問題。

(3)對重要設備的縫隙結構，建議采取基于風險的維修策略，開發(fā)預防性維修大綱進行腐蝕檢測。