核電廠(chǎng)保溫層下管道腐蝕與涂層耐久性監(jiān)測(cè)

林 斌 付國(guó)慶 沈新生 林澤泉 劉洪群 薛 飛

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215002）

0 引言

保溫層下腐蝕（CUI，Corrosion Under Insulation）是指包裹保溫材料的管道或設(shè)備外表面的一種腐蝕現(xiàn)象[1]。一般是由冷凝水進(jìn)入保溫系統(tǒng)而導(dǎo)致管道或設(shè)備外表面的局部腐蝕。當(dāng)保溫存在濕氣時(shí)，極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕和縫隙腐蝕，由于表層覆蓋，腐蝕難以檢測(cè)。隨保溫層內(nèi)濕氣不斷積累，保溫效果下降，金屬表面涂層老化、鼓泡，金屬基體腐蝕加劇。極端情況下，管道腐蝕穿孔泄露，引發(fā)安全事故。本文針對(duì)核電廠(chǎng)冷凍水管道引起保溫層下腐蝕主要因素（溫度、濕度）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并長(zhǎng)期記錄保溫層下金屬腐蝕電流與涂層阻抗變化，判斷涂層的完整性與金屬基材的腐蝕傾向。

1 保溫層下管道涂層老化與腐蝕情況

某核電廠(chǎng)冷凍水管道，材質(zhì)為A 1 0 6 G R.B（ASTM），保溫層下存在涂層老化與管道腐蝕情況，如圖1所示。冷凍水系統(tǒng)為主控室空調(diào)系統(tǒng)、電器廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)以及電纜層通風(fēng)系統(tǒng)冷卻盤(pán)管提供8℃冷凍水，冷凍水系統(tǒng)故障后電氣廠(chǎng)房?jī)?nèi)溫度升高最終會(huì)導(dǎo)致電廠(chǎng)機(jī)組停運(yùn)。冷凍水管道是系統(tǒng)的重要組成部分，為了保證管道有效使用壽命，節(jié)省維修和管理費(fèi)用，針對(duì)該系統(tǒng)部分管段開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)設(shè)備，保溫修復(fù)后安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保溫層下管道的腐蝕狀態(tài)、溫濕度和涂層耐久情況，評(píng)估管道修復(fù)效果。

圖1 金屬基體腐蝕與涂層老化破損

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

CUI腐蝕監(jiān)測(cè)、涂層耐蝕評(píng)估系統(tǒng)主要包含傳感器、監(jiān)測(cè)主機(jī)、供電模塊等，基于腐蝕電化學(xué)原理，采用交流阻抗和電偶電流技術(shù)，通過(guò)安裝在保溫層下的各類(lèi)傳感器，將腐蝕電流、溫濕度、阻抗等信息傳遞給處理單元，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)到主控模塊，現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)藍(lán)牙和數(shù)據(jù)下載器拷貝數(shù)據(jù)。

2.1 多功能腐蝕傳感器

多功能腐蝕傳感器基于電偶探針原理，通過(guò)監(jiān)測(cè)待測(cè)金屬失電子數(shù)來(lái)反應(yīng)腐蝕速率，用于監(jiān)測(cè)管道的腐蝕速率，同時(shí)，集成溫濕度傳感器，測(cè)定保溫層內(nèi)環(huán)境溫、濕度變化情況，如圖3及圖4（a）、圖4（b）所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖3 腐蝕傳感器測(cè)試原理圖

圖4 監(jiān)測(cè)傳感器示意圖

2.2 涂層阻抗監(jiān)測(cè)傳感器

涂層阻抗監(jiān)測(cè)傳感器基于電化學(xué)阻抗譜（EIS）原理，傳感器如圖4（c）所示。涂層阻抗監(jiān)測(cè)基于測(cè)量對(duì)體系施加小幅度微擾時(shí)的電化學(xué)響應(yīng)，在每個(gè)測(cè)量的頻率點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)中，包含了施加信號(hào)電壓（或電流）對(duì)測(cè)得的信號(hào)電流（或電壓）的相位移及阻抗的幅模值。從主控模塊上獲取阻抗譜圖，根據(jù)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電化學(xué)響應(yīng)的實(shí)部和虛部，獲取阻抗幅模（|Z|）、相位移（θ）等變量。

3 試驗(yàn)測(cè)試與評(píng)定

3.1 試驗(yàn)測(cè)量

溫濕度、腐蝕速率監(jiān)測(cè)、涂層耐蝕性監(jiān)測(cè)：將多功能腐蝕傳感器沿管壁埋入保溫層中，如圖5所示。涂層阻抗傳感器埋置于管道外壁保溫層內(nèi)，沿管道徑向平面呈120°布置，多功能腐蝕傳感器與涂層阻抗傳感器分開(kāi)布置，相隔距離控制在1～2m之間。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)保溫層下各參數(shù)變化，判斷保溫層下涂層及金屬本體的狀態(tài)。

圖5 腐蝕監(jiān)測(cè)、涂層耐蝕評(píng)估系統(tǒng)安裝示意圖

3.2 結(jié)果與討論

圖6 溫、濕度與阻抗值隨時(shí)間的變化

3.2.1 溫濕度、涂層耐蝕性監(jiān)測(cè)圖6為1年內(nèi)保溫層下溫濕度以及阻抗值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，結(jié)果表明，1年內(nèi)，保溫層內(nèi)溫度變化不大，年均溫度在8～10℃左右，相對(duì)濕度低于50%，表明保溫層效果完好，未出現(xiàn)保溫破損造成水汽進(jìn)入保溫造成冷凝水凝結(jié)的情況。保溫層內(nèi)布置3個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)涂層的阻抗變化，3點(diǎn)阻抗值均在2～2.5×106Ω之間，且無(wú)較明顯變化，說(shuō)明涂層保持良好的耐蝕性能，間接驗(yàn)證保溫層防護(hù)完整。

3.2.2 腐蝕電流監(jiān)測(cè)

圖7 腐蝕電流及電流密度隨時(shí)間的變化

圖7 （a）、（b）分別為腐蝕電流-時(shí)間和腐蝕電流密度-時(shí)間曲線(xiàn)，保溫層內(nèi)腐蝕電流在0～100 nA之間變化，電流密度在10-8A/cm2數(shù)量級(jí)，與圖6（a）溫濕度-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)停運(yùn)檢修期間，即150～180d，腐蝕電流及電流密度出現(xiàn)明顯上升，峰值區(qū)域時(shí)間跨度較大，保溫層內(nèi)溫濕度以及腐蝕電流小幅增加，腐蝕趨勢(shì)小幅增加[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)冷凍水部分管道修復(fù)并進(jìn)行腐蝕與涂層耐久監(jiān)測(cè)，在連續(xù)1年測(cè)試周期內(nèi)：

（1）溫、濕度、涂層阻抗、腐蝕電流以及腐蝕電流密度均在正常范圍內(nèi)變化，保溫層完整，金屬基體未出現(xiàn)腐蝕，金屬涂層完整無(wú)破損；

（2）系統(tǒng)停運(yùn)檢修期間，管道水溫升高，保溫層內(nèi)溫度和濕度略有增加，腐蝕電流以及電流密度呈小幅規(guī)律性增長(zhǎng)，涂層阻抗變化不大。停機(jī)對(duì)保溫層下腐蝕有輕微的促進(jìn)作用，對(duì)涂層的耐蝕性影響不大；

（3）通過(guò)引入保溫層下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效監(jiān)測(cè)部分冷凍水管道的服役情況，為管道修復(fù)方案與檢修計(jì)劃提供關(guān)鍵的技術(shù)指導(dǎo)參考依據(jù)。