干空氣保養(yǎng)對核電廠停機期間二回路設(shè)備腐蝕控制的研究

鄧清泉，王 駿

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350300)

核電廠機組無論是實行例行缺陷檢修還是換料大修，都不可避免的要停止運行。在此期間，電廠二回路介質(zhì)(包括水、汽)均排空，金屬設(shè)備直接接觸大氣，殘留的積水以及蒸汽在金屬表面凝結(jié)形成水膜，進而發(fā)生腐蝕，表現(xiàn)為短時間內(nèi)金屬表面出現(xiàn)大面積的浮銹，其下是腐蝕坑或蝕孔。該類腐蝕對設(shè)備造成的破壞在短期內(nèi)雖不明顯，但在隨后的運行階段，已經(jīng)發(fā)生腐蝕的部位，會逐步發(fā)展為更具破壞性的點蝕；同時，因腐蝕產(chǎn)物遷移至蒸汽發(fā)生器，在其管板或縫隙沉積，又會引起蒸汽發(fā)生器內(nèi)部縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕[1]，這類腐蝕將極大地威脅設(shè)備性能安全，縮短設(shè)備使用壽命。核電廠停機期間金屬設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物還增加了機組啟機前二回路水沖洗合格的難度，推遲了機組并網(wǎng)后水汽質(zhì)量達到正常運行標準值的時間，一定程度上影響了機組的經(jīng)濟效益。因此，停用期間對熱力設(shè)備采取有效的保養(yǎng)措施防止腐蝕十分必要。福清核電1-4號機組自投產(chǎn)以來，在大修停運期間，未對二回路設(shè)備進行可控的保養(yǎng)措施，這些設(shè)備在大修期間絕大部分時間暴露在大氣中， 會造成設(shè)備的嚴重的腐蝕，尤其是同時還存在沉積物或者污泥的除氧器和凝汽器的水室等部位，設(shè)備腐蝕的存在對二回路設(shè)備的運行造成了極大的威脅。

1 停機腐蝕

1.1 停機腐蝕

停機腐蝕主要是大氣成分中的H2O和O2在金屬表面與金屬發(fā)生電化學作用導(dǎo)致的腐蝕。根據(jù)金屬表面的潮濕程度可以將大氣腐蝕劃分為干環(huán)境、濕環(huán)境和潮濕環(huán)境[2]。

干環(huán)境下腐蝕：主要是指金屬表面沒有水膜存在下發(fā)生的腐蝕，即在金屬表面生成一層厚度約為0.1～0.4 nm的肉眼不可見的氧化膜，對金屬沒有明顯的破壞作用。

濕環(huán)境下腐蝕：指金屬材料在厚度1 mm以上可見水膜環(huán)境下發(fā)生的腐蝕，腐蝕過程與金屬完全沉浸在電解液中的電化學腐蝕類似。

潮濕環(huán)境下腐蝕：指在金屬表面吸附厚度1～100 μm的肉眼不可見薄液膜，大氣中的O2透過薄液膜達到金屬表面，從而發(fā)生電化學腐蝕。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，三種環(huán)境下的腐蝕速率見圖1，潮濕環(huán)境下的腐蝕速率相對于干環(huán)境下要大很多。

圖1 金屬表面薄液膜厚度與腐蝕速率的關(guān)系Fig.1 Relationship between the thickness of thin liquid film on metal surface and corrosion rate

停機期間二回路設(shè)備發(fā)生的腐蝕即為潮濕環(huán)境薄液膜下的電化學腐蝕，暴露在大氣中的金屬材料因積水蒸發(fā)或環(huán)境中水蒸氣的凝結(jié)在其表面凝聚成厚度為1 μm～1 mm的薄液膜，形成電化學腐蝕的環(huán)境。

1.2 腐蝕機理

核電機組二回路的熱力設(shè)備的金屬基本為碳鋼。停機期間，碳鋼表面由于積水蒸發(fā)或環(huán)境中水蒸氣的凝結(jié)形成薄液膜，然后O2透過薄液膜至碳鋼表面發(fā)生電化學腐蝕，陰極過程為氧的去極化，陽極過程為金屬的溶解。碳鋼停機腐蝕機理見圖2。

圖2 碳鋼停機腐蝕機理Fig.2 The shutdown corrosion mechanism of carbon steel

陽極過程：

一般認為碳鋼腐蝕的陽極過程為Fe失去電子變成Fe離子的過程：

Fe→Fen++ne-

陰極過程：

大氣中的氧氣穿過水膜達到碳鋼表面，進行還原反應(yīng)：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

1.3 停機腐蝕的影響因素

影響停機腐蝕的因素主要分為環(huán)境氣候因素和污染物因素[3]：包括相對濕度、薄液膜存在的時間、溫度以及污染物顆粒等。

(1)相對濕度(Relative Humidity)

所謂相對濕度是指在某一溫度下，空氣中水蒸氣含量與該溫度下空氣中所能容納的水蒸氣的最大含量的比值(一般以百分比表示)，即：

相對濕度(RH)

從停機腐蝕的機理可得知，薄液膜的存在是停機腐蝕的基本條件，而薄液膜的形成又與大氣的相對濕度密切相關(guān)，因此相對濕度是影響停機腐蝕的關(guān)鍵因素之一。大氣中的相對濕度越大，則越有可能在碳鋼表面形成薄液膜，以金屬的臨界相對濕度為界限。當空氣中相對濕度達到某一個臨界值時，空氣中的水分即在碳鋼表面形成薄液膜，從而加速電化學腐蝕過程的發(fā)展，此時的相對濕度稱為金屬腐蝕的臨界相對濕度。一般來說，碳鋼的臨界相對濕度為65%。

(2)薄液膜存在的時間

碳鋼表面形成的薄液膜覆蓋在碳鋼表面的時間成為薄液膜存在的時間，即碳鋼表面開始發(fā)生電化學腐蝕的時間，因此薄液膜存在的時間越長，碳鋼腐蝕的總量的就越大。

(3)溫度

溫度也是影響大氣腐蝕的重要因素之一，一方面溫度可以影響碳鋼表面薄液膜形成的速度；另一方面又可以影響電化學腐蝕的反應(yīng)速度。當相對濕度低于金屬的臨界相對濕度時，溫度對大氣腐蝕的影響很小。而當相對濕度大于臨界相對濕度時，溫度對腐蝕速度的影響就十分明顯。

(4)薄液膜的成分

根據(jù)腐蝕機理中薄液膜中的陰極反應(yīng)公式：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

當薄液膜中成酸性時，H+與OH-結(jié)合生成水，使得上述反應(yīng)平衡往右移，加速反應(yīng)；當薄液膜成堿性時，薄液膜中存在大量OH-使得平衡向左移，減小反應(yīng)速度。

(5)其他影響因素

除上述幾個影響因素之外，降雨及碳鋼表面的潔凈度對腐蝕速度也有明顯的影響。降雨會增加大氣中的相對濕度，同時延長薄液膜存在的時間，加速碳鋼大氣腐蝕過程。碳鋼表面越粗糙則越容易形成薄液膜，就越容易發(fā)生大氣腐蝕。

2 停機腐蝕的控制

2.1 降低環(huán)境的相對濕度

在福清核電機組換料大修時，排空后二回路碳鋼設(shè)備即暴露在空氣中，二回路管道和容器殘余了大量的積水，在停機余溫下進行蒸發(fā)導(dǎo)致環(huán)境中的相對濕度增大，達到臨界相對濕度后，便在碳鋼表面形成薄液膜，產(chǎn)生電化學腐蝕。

因此降低環(huán)境相對濕度，首先需要將二回路管道和容器內(nèi)部殘余的積水進行清理，二回路幾乎所有的容器內(nèi)部均含有大量積水。在這些容器打開人孔的第一時間將內(nèi)部積水進行清理，可以很明顯地減少環(huán)境的相對濕度。

此外廠房環(huán)境的相對濕度較大的時，也會增加二回路管道和容器內(nèi)部的相對濕度。降低濕度的第二種方法即使用干燥的氣體替換二回路管道和容器內(nèi)部相對濕度大的空氣。干燥的氣體可以采用氮氣或者壓縮空氣。因氮氣具有窒息風險，因此采用相對濕度小的壓縮空氣進行替代。

2.2 減少薄液膜存在的時間

減少薄液膜存在的時間即盡早降低環(huán)境的相對濕度，使管道和容器內(nèi)部處于一個干燥，相對濕度小的氛圍。二回路排水到開人孔最快的時間為4～5天，在開人孔的第一時間將內(nèi)部積水清理干凈，并連續(xù)往里通入干燥的壓縮空氣，降低其相對濕度，減少薄液膜存在的時間，即可大大地減少停機腐蝕總量。

2.3 保持碳鋼表面的潔凈度

在福清核電機組二回路設(shè)備中，凝汽器熱阱和除氧器底部存在大量的腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)，這些雜質(zhì)不僅會降低碳鋼的臨界相對濕度，加速薄液膜的形成，而且溶于薄液膜后形成酸性物質(zhì)加速電化學腐蝕。

3 應(yīng)用情況

在2018年度4號機組大修(7月份401大修)、3號機組大修(12月份302大修)期間，首次對二回路熱力設(shè)備容器進行全覆蓋式保養(yǎng)，保養(yǎng)方法采用的是干空氣保養(yǎng)法。在大修期間實施干空氣保養(yǎng)的設(shè)備有： 1/2級復(fù)合式低壓加熱器、第3、4級低壓加熱器、低壓加熱器疏水箱、除氧器、第6、7級高壓加熱器、凝汽器、汽水分離再熱器及其疏水箱和凝結(jié)水箱。這些設(shè)備所處的廠房均環(huán)繞有壓縮空氣的總管，總管引出的分配支管向廠房四周的氣動工具供氣，每個用氣點處設(shè)置一個隔離閥和一個快速拆卸接頭。壓縮空氣管內(nèi)在室溫26 ℃時，相對濕度為13.5%RH，遠低于碳鋼的臨界相對濕度。

大修期間，大部分二回路設(shè)備會打開人孔門，在人孔門處安裝防異物保養(yǎng)蓋板(且蓋板中間有通氣孔)，采用塑料軟管從就近壓縮空氣閥門引出壓縮空氣，再通過氣體分配器通入設(shè)備中。對于未開人孔的設(shè)備或者高/低壓加熱器的汽側(cè)，則需通過儀表管道或者化學清洗管道通入壓縮空氣。同時在人孔門處使用溫濕度測量儀測量容器內(nèi)部的相對濕度，保養(yǎng)合格的指標為<60%RH[4-5]。實施情況見圖3。

4 保養(yǎng)效果

在2018年度4號機組大修(7月份401大修)、3號機組大修(12月份302大修)期間均對二回路熱力設(shè)備進行了全面的保養(yǎng)，保養(yǎng)效果如下：

1)停機期間大部分設(shè)備(除凝汽器外)內(nèi)部環(huán)境的相對濕度均控制在<60%。保養(yǎng)期間設(shè)備內(nèi)部表面干燥無薄液膜存在，大大抑制了停機腐蝕。

2)經(jīng)對低加疏水箱積水清理前后的檢查發(fā)現(xiàn)：在積水存在的情況下，碳鋼表面很容易發(fā)生停機腐蝕；在清理積水并投入干空氣保養(yǎng)后，碳鋼表面無薄液膜，也無停機腐蝕的現(xiàn)象。

3)除氧器和凝汽器熱阱底部均出現(xiàn)大量的雜質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物，并在這些雜質(zhì)的附近發(fā)生了停機腐蝕。其他設(shè)備內(nèi)部表面整潔度良好，無雜質(zhì)引起的停機腐蝕現(xiàn)象。

4)凝汽器還存在大量的積水，積水引入的原因有：停機排水時未排盡；在凝汽器內(nèi)部對磁性過濾器進行除鹽水沖洗，從而引入大量的水。積水的存在直接導(dǎo)致凝汽器內(nèi)部相對濕度長期大于碳鋼的臨界相對濕度，促進了凝汽器內(nèi)部的停機腐蝕。

5)福清核電1/2/3/4號機組大修后啟動時沖洗二回路設(shè)備的情況進行對比。

在除氧器的小循環(huán)沖洗過程中，各個大修期間沖洗水的懸浮物最大值見表1。

表1 除氧器沖洗的懸浮物

沖洗水中的懸浮物大多為鐵銹，通過沖洗后水質(zhì)中的懸浮物大小可以判斷設(shè)備在停機期間發(fā)生腐蝕的嚴重程度。從上表中可以看出，在未執(zhí)行保養(yǎng)的101/103/202/203大修中，設(shè)備的停機腐蝕的嚴重程度遠大于執(zhí)行了干空氣保養(yǎng)后的機組。

在凝汽器的小循環(huán)沖洗過程中，各個大修期間沖洗水的懸浮物最大值見表2。

表2 凝汽器沖洗的懸浮物

從表2可以看出，在凝汽器的小循環(huán)過程，未執(zhí)行保養(yǎng)和執(zhí)行干空氣保養(yǎng)的大修的沖洗水懸浮物最大值較高且相近。302和401大修時，雖然凝汽器在執(zhí)行保養(yǎng)時，但因內(nèi)部相對濕度一直維持在大于碳鋼的臨界相對濕度，和未執(zhí)行保養(yǎng)的大修一樣，凝汽器內(nèi)部設(shè)備發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生了大量的腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)。

5 結(jié)論和建議

干空氣保養(yǎng)的實施減少了熱力系統(tǒng)和設(shè)備的腐蝕，保障了二回路設(shè)備邊界屏障的完整性和可用性，同時減少了二回路啟動沖洗時間，增加了機組的經(jīng)濟效益。且干空氣保養(yǎng)在302和401大修執(zhí)行過程中，積累了大量的工作經(jīng)驗，為后續(xù)保養(yǎng)提供了借鑒經(jīng)驗。因此核電廠實施干空氣保養(yǎng)勢在必行。

為在核電廠順利實施有效的干空氣保養(yǎng)，有如下建議：

1)低壓加熱器、高壓加熱器、除氧器和凝汽器均因容器內(nèi)部有積水，影響保養(yǎng)效果，需在開人孔的第一時間對容器內(nèi)部積水進行清理。對于1/2級復(fù)合式低壓加熱器中管束殘余的水，需每天對容器進行檢查，若有積水則及時清理。

2)在除氧器和凝汽器熱阱底部均存在大量的腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)，需及時清理,保持容器內(nèi)部表面的整潔度，避免此雜質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物成為新的腐蝕源點。

3)凝汽器中用水沖洗磁性過濾器，從而向凝汽器內(nèi)部引入大量的水源，影響保養(yǎng)效果。建議將磁性過濾器移至設(shè)備外部進行清理。

4)福清3、4號機組廠房布置相似，同樣的設(shè)備保養(yǎng)使用的塑料軟管長度相似，建議對每個設(shè)備使用的塑料軟管進行標識，增加塑料軟管的重復(fù)使用性，減少容器保養(yǎng)所需的成本。