核電廠二回路水化學(xué)沉積與腐蝕問題研究

吳玉彬 安洋

摘? ?要：世界上目前已經(jīng)建立的核電廠大約有近五百座，絕大多數(shù)都是壓水堆核電廠。核電廠水化學(xué)的問題研究，一直是世界上核電事業(yè)研究的重中之重。核電廠水化學(xué)的問題往往不像機械設(shè)備，儀器儀表之類的立即發(fā)生事故，容易被忽視。尤其是水化學(xué)腐蝕問題。如果不對此類問題給予相應(yīng)的重視，核電廠水化學(xué)的腐蝕很容易造成難以預(yù)測的后果，甚至破壞反應(yīng)堆。本文針對核電廠二回路水質(zhì)問題進行了研究，其目的在于探討核電廠二回路的腐蝕機理以及預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：二回路? 腐蝕? 核電廠

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0127-02

1? 二回路水化學(xué)控制的目的和意義

核電廠二回路的水化學(xué)控制問題，一直是核電廠工程師們研究的主要問題之一。優(yōu)化二回路水質(zhì)的控制。主要有三個目的。（1）保護蒸汽發(fā)生器傳熱管不受二次側(cè)水的腐蝕和引起積垢問題。（2）防止水管道腐蝕速率過快。（3）防止由于水質(zhì)問題所帶來的設(shè)備腐蝕。

2? 二回路中水雜質(zhì)危害與解決措施

二回路中存在這許多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)如果處理不好，很容易造成設(shè)備的腐蝕。其雜質(zhì)主要來源于冷凝器的水透過縫隙，點蝕孔，裂紋等滲入其中。由于水質(zhì)來源有海水湖水等，二回路中存在的Mg+，K+，Ca+等會產(chǎn)生結(jié)垢問題。同時，二回路的水中存在一些酸性離子，如So42-，Cl-等，這些離子使得二回路管道發(fā)生腐蝕。

2.1 水雜質(zhì)帶來的危害

蒸汽發(fā)生器在二回路中是非常重要的器件。二回路的水質(zhì)不好，會對蒸汽發(fā)生器帶來非常大的影響。傳熱管道上的沉積物會影響蒸汽發(fā)生器的傳熱特性，在管支板上的沉積會增加流動阻力，影響水力特性。同時，水中的雜質(zhì)會在水流不暢通的位子，如管板，管支撐板縫隙處濃縮，沉積，形成腐蝕環(huán)境。一般來說，二回路中水流通過蒸汽發(fā)生器時，只有不到10%的雜質(zhì)會被排污流帶走。

2.2 水雜質(zhì)控制的目的與措施

導(dǎo)致核電站傳熱管腐蝕的原因有很多，二回路中的水質(zhì)問題，如果處理不好會造成非常嚴重的后果。對二回路中水質(zhì)問題，加以控制，是很有必要的。其目的在于減少蒸汽發(fā)生器中的沉積，控制pH值使得設(shè)備處于正常的工作環(huán)境，用時減少氧化反應(yīng)的發(fā)生。

2.3 二回路中氧的危害與解決措施

二回路給水系統(tǒng)的氧主要來源于空氣的內(nèi)漏，水中溶解了一定的氧氣。氧元素對沉積腐蝕問題有著很大的影響，因此，控制二回路中氧的含量對于維持設(shè)備的穩(wěn)定是非常重要的。

在目前，國際上一般采用蒸汽加熱除氧劑，這種辦法除氧效率能達到90%。并輔助添加具有揮發(fā)性的還原劑，如聯(lián)氨，碳酰肼，二乙莖甲苯酰肼等來進行除氧。

值得一提的是，添加聯(lián)氨對除氧非常的有效。在給水中添加聯(lián)氨，一方面起著除氧的作用，其反應(yīng)為N2H4+O2→N2+2H2O。另一方面，起著降低還原性氧化物含量的作用，起反應(yīng)為6Fe2O3+N2H4→N2+2H2O+4Fe3O4，4CuO+N2H4→N2+2H2O+2Cu2O。聯(lián)氨將可還原性氧化物的陽離子價態(tài)降低，轉(zhuǎn)化成氧化物沉淀，最終形成氧化膜顆粒。聯(lián)氨對氧化物的還原機制受到溫度，氧化物溶解度，溶解和沉積的速率等因素的影響。

3? 系統(tǒng)設(shè)備材料腐蝕問題研究

二回路中的設(shè)備腐蝕是研究二回路水質(zhì)影響問題的重中之重，設(shè)備主要材料為銅以及銅合金，碳鋼等金屬。本文查閱相關(guān)資料，咨詢專業(yè)人士，并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗，對二回路中的設(shè)備的腐蝕問題做了相應(yīng)的分析和研究。

3.1 流動加速腐蝕問題研究

二回路水質(zhì)問題帶來的最主要腐蝕機理是流動加速腐蝕問題（FAC）。水流速度較快時，對碳鋼起著保護作用的致密氧化薄膜溶解，腐蝕速度提高。且水流動十分快速，冷卻劑中的鐵離子濃度并未達到飽和。而飽和蒸汽核電站蒸汽循環(huán)系統(tǒng)無法避免流動加速腐蝕的發(fā)生。在流動的單相水中或者兩相的濕蒸器中，在鋼鐵材料表面生成的Fe3O4氧化膜發(fā)生溶解，并被流體帶走，從而使得材料表面失去保護而發(fā)生的腐蝕。

3.2 流動加速腐蝕的機理以及影響因素

流動加速腐蝕問題是二回路腐蝕問題的研究熱點，目前如何預(yù)防和減低流動加速腐蝕問題對于保護壓水堆正常反應(yīng)具有非常重大的意義。流動加速腐蝕在濕潤的流道壁中是連續(xù)濕潤的，在干蒸汽中不會發(fā)生。因此，蒸汽的干度和流速比較關(guān)鍵。當(dāng)水中的環(huán)境處于低氧和還原性較強時候，碳鋼表面Fe3O4氧化膜在140℃～150℃達到最大溶解度，流動加速腐蝕速率也最高。碳鋼管道的FAC速度可以達到很高的程度，某些電廠甚至可以達到3mm/yr的程度。

3.3 預(yù)防和降低流動加速腐蝕的措施和解決辦法

降低四氧化三鐵的溶解度。在高氧的氧化性水中（ORP為+100～150mv），表面形成Fe2O3和FeOOH， 鐵離子的釋放速率為RT～300℃降低兩個數(shù)量級。實驗研究表明，隨著PH值的增加，鐵離子濃度降低。而溫度對鐵離子濃度的影響是非線性變化的。鐵離子濃度在250℃附近達到最高點。為了保證給水中Fe（0H）2的溶解度低于四氧化三鐵的溶解度，因此實際反應(yīng)中，溫度值當(dāng)控制在250℃左右，pH值應(yīng)不低于9.6，最好在10 以上。

增加水質(zhì)中的溶解氧含量。氧元素對流動加速腐蝕起著抑制作用。溶解氧通過與碳鋼內(nèi)表面氧化膜作用，從而影響流動加速腐蝕。研究表明，當(dāng)溶解氧含量低的時候，碳鋼管道內(nèi)壁形成疏松多孔的氧化亞鐵和非常薄的四氧化三鐵外延層，這層保護膜無法有效的抵抗誰留的沖擊。在這種情況下，流動加速腐蝕得不到抑制，進而對設(shè)備造成較大的腐蝕問題，嚴重時，甚至?xí)a(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。當(dāng)水質(zhì)中溶解較多的氧元素時，形成的四氧化三鐵致密的氧化膜，能夠有效的低于水流的沖擊作用，流動加速腐蝕的程度得到了大大的抑制。

最大程度的抑制兩相流FAC的發(fā)生。兩相流的FAC相對于單相流的FAC，情況更加復(fù)雜，而危害也更加大。汽液兩相端流復(fù)雜，強烈。很容易造成Fe4O3氧化膜的破碎和剝離。受到汽液兩相中，溶質(zhì)分布平衡關(guān)系的影響，提高PH值和溶解氧含量的方法對于抑制兩相流FAC的適用性受到了限制。防止兩相流的關(guān)鍵問題在于合理選材，采用含Cr含量高于0.5%的鋼比較有效，推薦使用含Cr量為1.25%的SA335-P11鋼。

綜上所述，在功率運行期間，Cr含量的增加，pH值的增加，溶解氧含量的增加對于抑制流動加速腐蝕的發(fā)生，均十分有效。同時，適當(dāng)提高Cu和Mo的含量對降低FAC速率也有一定的效果。

4? 結(jié)語

雖然二回路腐蝕問題的研究已經(jīng)較為成熟，但是任然存在著諸多問題。相較一回路而言，二回路由于其特性，其水質(zhì)問題對核電廠壓水堆影響更為復(fù)雜。本文基于保護核電廠反應(yīng)堆正常反應(yīng)這一目的，對二回路的水化學(xué)問題進行介紹。同時，對于多年來一直困擾著核電行業(yè)的熱點性問題，即流動加速腐蝕問題做了詳細的介紹。對流動加速腐蝕的機理，影響因素這些問題給了分析。本文最后針對如何預(yù)防FAC這一突出問題，重點進行了說明，并給出了解決辦法。

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