核電廠空氣冷卻器出口管道腐蝕穿孔原因分析

周 澄 吳昉赟 趙衛(wèi)東 劉洪群

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠發(fā)電機(jī)在發(fā)電的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)生的熱量通過各種冷卻介質(zhì)（氫氣、空氣、定子冷卻水、潤滑油等）傳遞給冷卻水系統(tǒng)。

勵(lì)磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過空氣傳遞給海水冷卻水系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冷卻。勵(lì)磁發(fā)電機(jī)封閉在一個(gè)整體外罩內(nèi)，罩內(nèi)裝有空氣冷卻器，形成封閉通風(fēng)系統(tǒng)，以保證機(jī)組在額定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。冷卻空氣通過主勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇的鼓風(fēng)作用來實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，冷卻空氣在通過空氣冷卻器冷卻管的外側(cè)時(shí)，由冷卻空氣吸收的熱量被傳送海水冷卻水系統(tǒng)。

空氣冷卻器主要由冷卻管、管板、水室、海水管道和支架組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。海水介質(zhì)從海水管道、水室、冷卻管內(nèi)流入和流出，對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。冷卻管和管板采用鈦管材質(zhì)，表面無防腐措施。海水管道和水室為碳鋼材質(zhì)，內(nèi)部涂裝防腐涂層來防止海水腐蝕。某核電廠的空氣冷卻器出口管道在運(yùn)行不到6個(gè)月時(shí)間出現(xiàn)穿孔問題，如圖2所示，嚴(yán)重影響該設(shè)備的正常運(yùn)行，進(jìn)而影響勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文對(duì)空氣冷卻器出口管道穿孔原因進(jìn)行了分析。

圖1 空氣冷卻器示意圖

圖2 穿孔管道形貌

1 穿孔原因分析

空氣冷卻器出口管道腐蝕穿孔的原因在于兩個(gè)方面，第一方面是管道內(nèi)壁防腐涂層發(fā)生了失效，涂層失去對(duì)管道基體的保護(hù)作用；第二方面是海水介質(zhì)對(duì)管道基體產(chǎn)生了腐蝕。

1.1 宏觀形貌分析

對(duì)表面涂層進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)整體涂刷滿足要求，但有流掛，表面不光滑，局部涂層有銹蝕現(xiàn)象，如圖3所示。對(duì)管道內(nèi)部涂層厚度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)涂層厚度位于280～780μm之間，涂層厚度不均。厚薄不均導(dǎo)致過厚的地方容易出現(xiàn)粗糙、結(jié)瘤、脫落等問題。穿孔位置位于管道彎管內(nèi)弧面，屬于防腐施工盲區(qū)，表面處理困難，并且難以檢查表面處理質(zhì)量，可能引起涂裝效果與防腐性能不佳。

將穿孔管道沿軸線縱向剖開，可以發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)數(shù)處點(diǎn)蝕區(qū)域，大部分位于管道內(nèi)弧面近中間位置，少數(shù)位于管道外弧面及進(jìn)出口附近。

穿孔部位附近涂層破損，破損面積約為50×20mm，如圖4所示。穿孔邊緣附著大量紅褐色腐蝕產(chǎn)物，未發(fā)現(xiàn)明顯沖刷痕跡，說明材料受到海水沖刷作用不明顯，造成穿孔的主要機(jī)理為海水腐蝕。

圖3 管道內(nèi)部形貌

圖4 穿孔部位形貌

1.2 海水腐蝕分析

當(dāng)涂層局部破損以后，管道碳鋼材料直接與海水接觸，發(fā)生腐蝕，碳鋼在不同試驗(yàn)點(diǎn)海水中暴露的平均腐蝕深度不同，如表1所示[1]。20#鋼在青島、舟山、廈門海域暴露一年的平均腐蝕速率均為0.18mm/a，暴露4年的最大腐蝕深度為0.64mm，其腐蝕速率為0.16mm/a，小于第一年的腐蝕速率。

碳鋼在不同試驗(yàn)點(diǎn)海水中暴露的平均點(diǎn)蝕深度如表2所示，點(diǎn)蝕深度可看作碳鋼腐蝕極限。從表2中可以看出，20#鋼在青島、舟山、廈門海域暴露1年的最大腐蝕深度為0.74mm，離秦山最近的舟山的點(diǎn)蝕腐蝕深度僅為0.38mm；暴露4年的最大腐蝕深度為1.54mm，平均腐蝕速率為0.385mm/a，遠(yuǎn)小于第一年的腐蝕速率。

空氣冷卻器出口管道設(shè)計(jì)壁厚為4.5mm，運(yùn)行不到半年時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間內(nèi)正常情況下（即使沒有涂層保護(hù)）不會(huì)導(dǎo)致管道穿孔發(fā)生。

表1 碳鋼在不同試驗(yàn)點(diǎn)海水中暴露的平均腐蝕深度（mm）[1]

表2 碳鋼在不同試驗(yàn)點(diǎn)海水中暴露的平均點(diǎn)蝕深度（mm）[1]

1.3 電偶腐蝕分析

當(dāng)碳鋼管道與換熱相連接時(shí)，如果絕緣措施未做好，極易發(fā)生電偶腐蝕[2]。使用萬用表對(duì)其連接電阻進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道與蓋板間電阻值約為0.22Ω/0.44Ω，蓋板與管板之間的電阻值約為0.83Ω/0.54Ω，說明管道與管板之間電連接良好。由此可以確定管道與鈦板為非絕緣連接，形成了電偶腐蝕發(fā)生條件，傳熱管內(nèi)表面作為陰極，管道內(nèi)表面局部涂層破損區(qū)域作為陽極將加速腐蝕，如圖5所示。

發(fā)生反應(yīng)如下：

管道穿孔部位發(fā)生陽極反應(yīng)：

鈦管表面發(fā)生陰極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

圖5 電偶腐蝕示意圖

空氣冷卻器出口管道內(nèi)表面涂層局部破損以后，可以認(rèn)為局部破損部位作為犧牲陽極來保護(hù)鈦傳熱管。根據(jù)GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》[3]，當(dāng)形成犧牲陽極保護(hù)時(shí)，犧牲陽極（也就是管道局部破損部位）發(fā)生電流：

其中△E為驅(qū)動(dòng)電位，根據(jù)GB/T 16166-2013中鐵陽極的驅(qū)動(dòng)電位（△E）取0.25V；R為接水電阻，根據(jù)GB/T16166-2013，接水電阻滿足如下公式：

其中L為長度；B為寬度；H為深度（如圖4所示；L約為50mm，B約為20mm，H取4.5mm）；ρ為電阻率。隨時(shí)間和溫度的變化而變化，如表3所示。由于本管段穿孔時(shí)間段為2018年8月～2019年2月，因此分別選取8月～次年2月的最大電阻率數(shù)據(jù)和最小電阻率數(shù)據(jù)，即55Ωcm和83Ωcm進(jìn)行計(jì)算。

電偶腐蝕條件下，假定管道內(nèi)壁局部破損部位均勻消耗，直至穿孔，那么發(fā)生穿孔剩余時(shí)間為：

其中Q為電容量，取900Ah/kg，G為局部破損部位重量；Im為實(shí)際發(fā)生電流，Im≈（0.6～0.8If）。

取Im=0.6If，將上述數(shù)值代入公式計(jì)算得出：

也就是說，當(dāng)管道內(nèi)壁涂裝并安裝完成以后，涂層經(jīng)過一定的時(shí)間發(fā)生老化破損以后，在電偶腐蝕的作用下再經(jīng)過62～91天的時(shí)間管道發(fā)生腐蝕穿孔。

1.4 運(yùn)行工況分析

發(fā)生穿孔的部位為出口管道，其內(nèi)部介質(zhì)溫度高于入口管道介質(zhì)溫度。像大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣，腐蝕的速率隨水溫的升高而增加[4]。這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，氧的擴(kuò)散系數(shù)增大，使得溶解氧更容易達(dá)到陰極表面而發(fā)生去極化作用；溶液電導(dǎo)率增加，腐蝕電流增大；水的黏度減小，有利于陽極和陰極反應(yīng)的去極化作用。因此出口管道因溫度升高而加快腐蝕。

表3 秦山地區(qū)海水的pH值和電阻率

一般來說，腐蝕速率隨海水的流速的增加而增加，這是因?yàn)榱魉僭龃髸r(shí)，提高了氧的擴(kuò)散系數(shù)，介質(zhì)中的氧更快的傳遞到基體表面，從而加快反應(yīng)速率。出口管道外徑為133mm，壁厚為4.5mm，內(nèi)徑為124mm，設(shè)計(jì)流量為720m3/h，共有4根管道，可以計(jì)算得出管道內(nèi)流速約為4.14m/s。管道內(nèi)海水具有一定的流速，對(duì)海水的腐蝕具有一定的促進(jìn)作用。

2 解決措施及建議

2.1 防腐層選型

管道穿孔部位位于彎頭內(nèi)弧面，屬于防腐施工盲區(qū)，表面處理和防腐施工都較為困難，可能引起涂裝效果與防腐性能不佳。為徹底解決這一問題，建議將碳鋼+涂層管道改為不銹鋼或者碳鋼+襯膠管道。針對(duì)不銹鋼，要選擇適用海水中的耐蝕不銹鋼，例如超級(jí)奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼等；針對(duì)碳鋼+襯膠，襯膠具有良好的保護(hù)作用和彈性，不易破損并且耐海水沖刷，使用壽命較長。

2.2 絕緣措施

通過上述分析可知，造成空氣冷卻器出口管道穿孔的根本原因是穿孔管道和管板、傳熱管之間無絕緣措施，當(dāng)涂層破損以后，涂層破損部位和鈦管發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕而最終穿孔。因此在管道和水室之間、水室和管板之間增加絕緣措施，可徹底避免電偶腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)束語

空氣冷卻器作為核電廠勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的冷卻裝置，其設(shè)備狀態(tài)嚴(yán)重影響勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，該設(shè)備的安全穩(wěn)定性應(yīng)該得到重視。空氣冷卻器進(jìn)出口管道及水室均為碳鋼材料，內(nèi)部冷卻介質(zhì)為海水，為腐蝕敏感設(shè)備，平時(shí)要加強(qiáng)設(shè)備的防腐檢查和管理，避免因腐蝕原因?qū)е碌陌踩录l(fā)生。