核電廠生活飲用水系統管道腐蝕失效分析

何 穎，羅 楊

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

核電廠生活飲用水系統覆蓋了整個電廠，從生活辦公到生產廠房均由其提供，上游水源來自淡水廠，不同廠房系統相連管道根據其功能和工況的不同設計不同的材料。管道外部采用油漆涂層防腐，而內部沒有防腐措施，近兩年接連發生15 余起管道穿孔缺陷。內部腐蝕不僅影響系統的可用性，同時水質的惡化也嚴重影響生活和生產使用。對泄漏部位采取更換管道時，發現管道內部嚴重腐蝕，且存在管壁減薄現象，局部焊接更換管道的檢修方案不能作為永久處理措施，需研究其腐蝕機理采取有效的根治措施。

1 檢查及分析

1.1 宏觀調查

切割下的失效管段腐蝕孔的直徑約5 mm。采用線切割的方式將管道對半對稱切開，用鋼刷將堆積的腐蝕產物清除，發現厚度不均的腐蝕產物覆蓋在管道內壁，部分區域堆積形成腐蝕瘤。觀察腐蝕產物并未見微生物膜跡象，腐蝕瘤尺寸在3～10 mm，呈層狀結構，內層較疏松，未發出異味（圖1）。管道內表面還有許多凹坑。從內表面直接檢查發現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域沿最薄位置的中心切下，最薄處厚度僅0.9 mm，已遠低設計要求的最小壁厚。

圖1 腐蝕瘤

1.2 基體檢査

釆用X 射線熒光光譜分析儀（XRF）對該失效管道的基體進行了成分分析，并取樣進行金相檢驗；采用線切割的方法將腐蝕孔切成試樣進行了體視顯微鏡檢查、微觀形貌觀察和能量色散X 射線光譜（EDX）元素分析（除去C 和H 元素），同時采用X射線衍射（XRD）分析腐蝕瘤周圍的腐蝕產物，以確認該碳鋼管道的腐蝕機理。

打磨掉管道外表面的涂層后，用XRF 對管道成分進行分析，并與ASTMA106《高溫用無縫碳鋼公稱管》標準中規定的A106Gr.B 成分要求進行了對比，結果顯示實測值均在標準限值范圍內，材料成分滿足要求。按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，金相組織觀察正常，為鐵素體F+珠光體P。依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》，夾雜物等級為A0.5、D1。

1.3 腐蝕孔檢查

腐蝕孔局部放大圖顯示腐蝕孔周圍的腐蝕產物呈多層分布，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。觀察腐蝕孔的SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）形貌圖（圖2），可以發現腐蝕孔邊緣靠近基體位置結構更致密，遠離腐蝕孔位置結構較疏松。EDX 分析結果表明腐蝕產物主要為鐵的氧化物。

圖2 腐蝕孔靠近邊緣局部放大SEM 圖及遠離腐蝕坑區域管道內壁腐蝕形貌

1.4 腐蝕產物XRD 分析

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

1.5 管道穿孔機理分析

碳鋼管道腐蝕瘤的形成機理通常有兩種：一種是微生物腐蝕瘤，另一種是非微生物瘤。從上述分析試驗結果來看，管道的腐蝕瘤結構上是外層硬、中心空，去除后無硫化物臭味，因此判定其應屬于第二類即非微生物腐蝕瘤。即由于材料本身原因發生局部電化學腐蝕引起的腐蝕瘤。整個腐蝕過程首先發生在局部的電化學腐蝕，然后將腐蝕產物封閉在與水、氧隔離的環境，腐蝕的表面與水產生氧溶度階梯，此時管道金屬與腐蝕瘤分別作為陽極和陰極，逐漸反應生產更大的腐蝕瘤，最終導致穿孔。

表1 失效管道基體成分分析結果%（w.t.）

2 結論及建議

通過以上試驗及分析，得出如下結論和改進措施：

（1）失效的管道內部存在大面積存在管節瘤和多處穿孔，多處管壁減??；碳鋼管道內壁缺乏防護，在中性含氧水環境下由于A106Gr.B 材料本身原因發生局部電化學反應，腐蝕產物在管壁堆積形成腐蝕瘤；腐蝕瘤內外存在氧氣濃度差，形成“氧濃差電池”，這種氧濃差電池加快了腐蝕瘤內碳鋼基體的腐蝕速率，最終導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的022Cr19Ni10（304L）材料，是為了提高SEP（生活飲用水系統）管道的耐腐蝕性，提高相應管線的壽命和工作環境的安全性，防止管線腐蝕泄漏。以系統中不銹鋼與碳鋼管道為分界點更換母管、支管，支管上新增隔離閥，以便支管改造時隔離。