核電廠(chǎng)生活飲用水系統(tǒng)管道腐蝕失效分析

何 穎，羅 楊

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

核電廠(chǎng)生活飲用水系統(tǒng)覆蓋了整個(gè)電廠(chǎng)，從生活辦公到生產(chǎn)廠(chǎng)房均由其提供，上游水源來(lái)自淡水廠(chǎng)，不同廠(chǎng)房系統(tǒng)相連管道根據(jù)其功能和工況的不同設(shè)計(jì)不同的材料。管道外部采用油漆涂層防腐，而內(nèi)部沒(méi)有防腐措施，近兩年接連發(fā)生15 余起管道穿孔缺陷。內(nèi)部腐蝕不僅影響系統(tǒng)的可用性，同時(shí)水質(zhì)的惡化也嚴(yán)重影響生活和生產(chǎn)使用。對(duì)泄漏部位采取更換管道時(shí)，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部嚴(yán)重腐蝕，且存在管壁減薄現(xiàn)象，局部焊接更換管道的檢修方案不能作為永久處理措施，需研究其腐蝕機(jī)理采取有效的根治措施。

1 檢查及分析

1.1 宏觀(guān)調(diào)查

切割下的失效管段腐蝕孔的直徑約5 mm。采用線(xiàn)切割的方式將管道對(duì)半對(duì)稱(chēng)切開(kāi)，用鋼刷將堆積的腐蝕產(chǎn)物清除，發(fā)現(xiàn)厚度不均的腐蝕產(chǎn)物覆蓋在管道內(nèi)壁，部分區(qū)域堆積形成腐蝕瘤。觀(guān)察腐蝕產(chǎn)物并未見(jiàn)微生物膜跡象，腐蝕瘤尺寸在3～10 mm，呈層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層較疏松，未發(fā)出異味（圖1）。管道內(nèi)表面還有許多凹坑。從內(nèi)表面直接檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕瘤覆蓋部位存在明顯減薄，局部位置的厚度不足1 mm。將明顯減薄的凹坑區(qū)域沿最薄位置的中心切下，最薄處厚度僅0.9 mm，已遠(yuǎn)低設(shè)計(jì)要求的最小壁厚。

圖1 腐蝕瘤

1.2 基體檢査

釆用X 射線(xiàn)熒光光譜分析儀（XRF）對(duì)該失效管道的基體進(jìn)行了成分分析，并取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)；采用線(xiàn)切割的方法將腐蝕孔切成試樣進(jìn)行了體視顯微鏡檢查、微觀(guān)形貌觀(guān)察和能量色散X 射線(xiàn)光譜（EDX）元素分析（除去C 和H 元素），同時(shí)采用X射線(xiàn)衍射（XRD）分析腐蝕瘤周?chē)母g產(chǎn)物，以確認(rèn)該碳鋼管道的腐蝕機(jī)理。

打磨掉管道外表面的涂層后，用XRF 對(duì)管道成分進(jìn)行分析，并與ASTMA106《高溫用無(wú)縫碳鋼公稱(chēng)管》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的A106Gr.B 成分要求進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示實(shí)測(cè)值均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，材料成分滿(mǎn)足要求。按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，金相組織觀(guān)察正常，為鐵素體F+珠光體P。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》，夾雜物等級(jí)為A0.5、D1。

1.3 腐蝕孔檢查

腐蝕孔局部放大圖顯示腐蝕孔周?chē)母g產(chǎn)物呈多層分布，分為黃褐色、棕黃色、黑色，這些主要為鐵的氧化物和氫氧化物。觀(guān)察腐蝕孔的SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）形貌圖（圖2），可以發(fā)現(xiàn)腐蝕孔邊緣靠近基體位置結(jié)構(gòu)更致密，遠(yuǎn)離腐蝕孔位置結(jié)構(gòu)較疏松。EDX 分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。

圖2 腐蝕孔靠近邊緣局部放大SEM 圖及遠(yuǎn)離腐蝕坑區(qū)域管道內(nèi)壁腐蝕形貌

1.4 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析

將腐蝕瘤位置的腐蝕產(chǎn)物剝離基體表面后進(jìn)行XRD 定性分析，分析結(jié)果（根據(jù)已有同材料腐蝕產(chǎn)物研究）表明，腐蝕產(chǎn)物主要是FeO（OH）以及少量的Fe2O3。從上述綜合分析看，管道內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物中鐵和氧含量較高，證明腐蝕瘤是鐵元素在含氧環(huán)境下腐蝕造成的。

1.5 管道穿孔機(jī)理分析

碳鋼管道腐蝕瘤的形成機(jī)理通常有兩種：一種是微生物腐蝕瘤，另一種是非微生物瘤。從上述分析試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，管道的腐蝕瘤結(jié)構(gòu)上是外層硬、中心空，去除后無(wú)硫化物臭味，因此判定其應(yīng)屬于第二類(lèi)即非微生物腐蝕瘤。即由于材料本身原因發(fā)生局部電化學(xué)腐蝕引起的腐蝕瘤。整個(gè)腐蝕過(guò)程首先發(fā)生在局部的電化學(xué)腐蝕，然后將腐蝕產(chǎn)物封閉在與水、氧隔離的環(huán)境，腐蝕的表面與水產(chǎn)生氧溶度階梯，此時(shí)管道金屬與腐蝕瘤分別作為陽(yáng)極和陰極，逐漸反應(yīng)生產(chǎn)更大的腐蝕瘤，最終導(dǎo)致穿孔。

表1 失效管道基體成分分析結(jié)果%（w.t.）

2 結(jié)論及建議

通過(guò)以上試驗(yàn)及分析，得出如下結(jié)論和改進(jìn)措施：

（1）失效的管道內(nèi)部存在大面積存在管節(jié)瘤和多處穿孔，多處管壁減薄；碳鋼管道內(nèi)壁缺乏防護(hù)，在中性含氧水環(huán)境下由于A(yíng)106Gr.B 材料本身原因發(fā)生局部電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕產(chǎn)物在管壁堆積形成腐蝕瘤；腐蝕瘤內(nèi)外存在氧氣濃度差，形成“氧濃差電池”，這種氧濃差電池加快了腐蝕瘤內(nèi)碳鋼基體的腐蝕速率，最終導(dǎo)致管道腐蝕穿孔失效。

（2）將A106Gr.B 碳鋼管道更換為耐腐蝕性能更強(qiáng)的022Cr19Ni10（304L）材料，是為了提高SEP（生活飲用水系統(tǒng)）管道的耐腐蝕性，提高相應(yīng)管線(xiàn)的壽命和工作環(huán)境的安全性，防止管線(xiàn)腐蝕泄漏。以系統(tǒng)中不銹鋼與碳鋼管道為分界點(diǎn)更換母管、支管，支管上新增隔離閥，以便支管改造時(shí)隔離。