核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器海水側(cè)腐蝕機理與防護

彭可馨 袁 驪 江 鋒

（1. 中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司浙江分公司，浙江 海鹽 314300；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為核電廠反應(yīng)堆廠房、輔助廠房、汽輪機廠房等多個系統(tǒng)和設(shè)備的熱交換器提供高質(zhì)量的冷卻水，而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的熱量則通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器由海水帶走。因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器的穩(wěn)定運行對整個電廠的安全、穩(wěn)定運行具有重要作用。

國內(nèi)某核電廠每臺機組設(shè)有4臺循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器，熱交換器由殼側(cè)筒體、管側(cè)水室、管板及傳熱管束四大部分構(gòu)成。殼側(cè)介質(zhì)為除鹽水，管側(cè)介質(zhì)為海水，通過管側(cè)海水對殼側(cè)除鹽水進行冷卻。

1 腐蝕機理

1.1 管側(cè)水室腐蝕機理

該電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器海水側(cè)水室材質(zhì)為碳鋼，容易受到?jīng)_刷腐蝕，此外還會發(fā)生電偶腐蝕、化學(xué)腐蝕等。其中，沖刷腐蝕是水室降質(zhì)最主要的影響因素，與沖刷腐蝕直接有關(guān)的因素有流速、流型（流動狀態(tài)）、表面膜和第二相[1,2]。

（1）流速。熱交換器的啟停關(guān)系到流速的變化，在這期間容易發(fā)生沖刷腐蝕。某核電廠早期運行期間發(fā)生過因流速較大而對管板及表面襯膠造成較為嚴(yán)重沖刷腐蝕的案例，充分說明流速與沖刷腐蝕速度相關(guān)；

（2）流型。流型不僅取決于流體的流速，而且與流體的物性有關(guān)，也與設(shè)備內(nèi)部的幾何形狀有關(guān)。從水室進入下游管道時，管徑發(fā)生了變化，水室靠近管口處也容易發(fā)生沖刷腐蝕；

（3）表面膜。材料表面與介質(zhì)接觸后生成的保護膜。對碳鋼而言，隨流速增大，從層流到湍流，表面腐蝕產(chǎn)物膜的沉積、生長和剝離對腐蝕均起著重要作用。從水室進入下游管道，管徑發(fā)生了變化，流速加快，腐蝕產(chǎn)物膜難以沉積，因而水室靠近管口處容易發(fā)生沖刷腐蝕；

（4）第二相。核電廠用于冷卻的海水泥沙含量大，水中的固體顆粒的存在進一步加速了材料腐蝕過程。電廠個別水室內(nèi)壁金屬基體上發(fā)現(xiàn)局部有淺坑的存在，若基體不加防護直接暴露在泥沙含量較高的海水中，基體材料將會持續(xù)受到固液兩相的沖刷腐蝕，日積月累將造成容器內(nèi)壁減薄。另外，海生物附著在蝕坑上會形成氧濃差，從而加速腐蝕進程，局部位置甚至可能會在短時間內(nèi)發(fā)生穿孔。

1.2 管板腐蝕機理

水室管板材質(zhì)為純鈦板，通過管板將殼側(cè)筒體和管側(cè)水室隔離開，管板的完整性對二回路和三回路的分離至關(guān)重要。

在水室流體進入鈦管過程中，流體從大管徑轉(zhuǎn)到小管徑的過渡區(qū)容易形成湍流。受到湍流沖刷腐蝕的金屬表面常常呈現(xiàn)深谷或馬蹄形的凹槽，一般按流體的流動方向切入金屬表面層，腐蝕凹槽光滑沒有腐蝕產(chǎn)物，因而距離管口位置較近的管板容易發(fā)生湍流腐蝕，如圖1所示。

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圖1 管板沖刷腐蝕形貌

1.3 傳熱管腐蝕機理

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器材質(zhì)為美國ASTM B338標(biāo)準(zhǔn)要求的2級有縫焊接鈦管，等同于我國牌號為TA1級工業(yè)純鈦管。管殼式換熱器入口管端的“進口管腐蝕”為典型的由湍流引起的沖刷腐蝕。由于流體從大管徑突然流入小管徑，介質(zhì)的流型改變而引起湍流中的嚴(yán)重腐蝕，如圖2所示。

圖2 管口沖刷腐蝕形貌

2 防護方案

該核電廠對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器海水側(cè)水室內(nèi)壁金屬使用的防腐蝕保護方法是襯膠保護法、涂層保護法。

2.1 水室內(nèi)壁防護方案

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器自投用以來共采用過三種方法對水室內(nèi)壁進行保護。第一種為氯丁橡膠（CR），因效果差已不使用；第二種為由自硫化溴化丁基膠板與預(yù)硫化溴化丁基膠板搭配構(gòu)成的復(fù)合襯膠（以下簡稱為“復(fù)合橡膠（BIIR）”）；第三種為高固態(tài)環(huán)氧涂層。

（1）襯膠保護

水室內(nèi)部常見的保護材料是復(fù)合橡膠。襯膠防護層由兩層橡膠板構(gòu)成，底層為自硫化溴化丁基膠板，面層為預(yù)硫化溴化丁基膠板。

復(fù)合橡膠使用過程中存在局部破損，通常在復(fù)合橡膠表面使用高固態(tài)環(huán)氧涂層進行保護,延長襯膠使用壽命。熱交換器運行期間會產(chǎn)生振動，襯里因而受到張力，涂層延展性較差，檢查發(fā)現(xiàn)涂層局部出現(xiàn)小區(qū)域剝落現(xiàn)象，但涂層下方襯膠未見劣化；

高固態(tài)環(huán)氧涂層具有防腐蝕性能優(yōu)異、粘接強度高、化學(xué)穩(wěn)定性能好等特點。與橡膠襯里相比，涂層襯里施工及維護成本更低，降低約30%。

2.2 管板防護方案

為避免管板受到?jīng)_刷腐蝕，對管板表面涂覆高固態(tài)環(huán)氧涂層，根據(jù)歷次檢查發(fā)現(xiàn)保護效果較好，維修方便，成本低，如圖5所示。

2.3 傳熱管防護方案

降低腐蝕程度的最佳方法是正確選材。鈦在海水和許多氯化物水溶液中有優(yōu)良的耐腐蝕性，其疲勞性能實質(zhì)上不受環(huán)境影響[3]。圖6為工業(yè)純鈦和中等強度近α鈦合金Ti5111在空氣和海水疲勞腐蝕擴展速度趨勢的對比圖，可見工業(yè)純鈦抗海水疲勞腐蝕性能更令人滿意。

圖6 工業(yè)純鈦和中等強度近α鈦合金Ti5111在空氣和海水中疲勞擴展速度趨勢

3 水室多種防護措施有效性評價

核電廠對于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器水室防腐蝕方法一直在探究，從第一種氯丁橡膠（CR）到第二種復(fù)合橡膠（BIIR）和第三種高固態(tài)環(huán)氧涂層。

該核電廠早期使用氯丁橡膠（CR）進行防護，但5年左右出現(xiàn)襯膠老化剝落，掉落的膠條纏繞附著于管板表面甚至造成管板大面積損傷、傳熱管大量穿孔。后改為復(fù)合橡膠襯里，使用多年后的襯膠表面附著少量海草，局部淺表面龜裂，但整體性能良好。對比使用5～6年的兩種橡膠襯里性能，相關(guān)數(shù)據(jù)[4]表明復(fù)合橡膠整體性能較好，如表1所示。

表1 使用5～6年后橡膠性能對比

核電廠連續(xù)多年監(jiān)測復(fù)合橡膠硬度值，8年后襯膠整體趨向硬化，結(jié)果均在合格范圍內(nèi)（如表2所示），性能減弱。根據(jù)核電廠相關(guān)文獻研究表明每8年更換襯膠性價比最高，因為此時襯膠性能已大幅下降，繼續(xù)維護會耗費大量維修成本。

表2 使用8年后復(fù)合橡膠性能

使用高固態(tài)環(huán)氧涂層的水室，在使用8年后涂層局部存在小鼓泡，如圖7所示。初步計算得知涂層年均損耗約為17.5μm（水室內(nèi)部涂層厚度500μm），涂層局部存在小鼓泡，鼓泡最大直徑約1mm。通過使用濕海綿電火花儀檢測涂層表面，沒有發(fā)現(xiàn)漏點涂層完整。一般情況下涂層缺陷多數(shù)為機械損傷，使用同類涂料進行修復(fù)即可。

圖7 8年后涂層鼓泡形貌

從表3可知，高固態(tài)環(huán)氧涂層綜合性能優(yōu)于復(fù)合橡膠和氯丁膠，因此建議后續(xù)使用高固態(tài)環(huán)氧涂層對水室內(nèi)壁進行腐蝕防護。

表3 三種防護措施綜合比較

5 結(jié)語

綜上所述，降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器腐蝕程度可從多方面綜合管控：

（1）根據(jù)運行工況、介質(zhì)種類合理選擇材料包括設(shè)備自身材料和保護材料；

（2）制定科學(xué)合理的設(shè)備制造工藝及材料保護工藝，并與時俱進、不斷優(yōu)化，提高防腐保護效果；

（3）制定周全細(xì)致的檢查大綱，定期對設(shè)備不同部位進行腐蝕監(jiān)測和缺陷處理；

（4）編制適用的流程、方案并不斷改進，使檢查、修復(fù)等過程有據(jù)可依。