核電廠埋地管道的外腐蝕檢測與評價(jià)

章 強(qiáng),劉 朝,魏松林,方 江,黃紅科,婁 驍

(1. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223； 2. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，海鹽 314300)

核電廠埋地管道承擔(dān)著全廠重要工業(yè)介質(zhì)的輸運(yùn)，長期與土壤直接接觸，國內(nèi)外核電廠埋地管道遭受土壤腐蝕導(dǎo)致泄漏的案例被大量報(bào)道[1-2]。美國核管會(huì)(NRC)和美國電力研究院(EPRI)開展了核電廠埋地管道老化管理技術(shù)的研究，并以強(qiáng)制性法規(guī)和技術(shù)報(bào)告的形式在美國核電廠推廣了埋地管道的檢測與評價(jià)工作，該項(xiàng)工作已作為核電廠老化管理及核電廠延壽的重要工作之一，而國內(nèi)暫未見核電廠全廠埋地管道外腐蝕狀態(tài)綜合檢查的相關(guān)報(bào)道，本工作借鑒了國內(nèi)外埋地管道全壽命周期管理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上首次對延壽的國內(nèi)某核電廠開展了埋地管道外腐蝕檢測與評價(jià)工作，以期為核電廠延壽及埋地管道全生命周期的腐蝕控制提供技術(shù)支撐[3]。

1 埋地管道外腐蝕的檢測方法

減緩核電廠埋地管道外腐蝕的措施主要有添加防腐蝕層和陰極保護(hù)。具有腐蝕性的土壤及雜散電流干擾會(huì)對管道外腐蝕起到一定的加速作用，參考GALL報(bào)告和EPRI報(bào)告的推薦開展埋地管道外檢測項(xiàng)目及方法，結(jié)合國內(nèi)長輸和站場埋地管道外腐蝕檢測工作的技術(shù)實(shí)踐[4-5]，針對某核電廠埋地管道的外腐蝕開展了土壤腐蝕性、雜散電流干擾、防腐蝕層缺陷及絕緣電阻、陰極保護(hù)電位的檢測，同時(shí)進(jìn)行了管道探坑開挖驗(yàn)證和管體缺陷篩查工作。

1.1 土壤腐蝕性檢測

調(diào)研了全廠埋地管道的技術(shù)參數(shù)，確定對核島區(qū)(27處)，動(dòng)力、機(jī)修、倉庫和三廢區(qū)(11處)，廠前、進(jìn)水車間和消防站區(qū)(8處)的直埋管道開展土壤電阻率檢測，根據(jù)全廠管道的不同埋深選擇土壤電阻率的測試深度為2，4，6 m。采用EJ 484推薦的綜合打分法對全廠46處埋地管道的土壤腐蝕性進(jìn)行檢測和評價(jià)。

1.2 雜散電流干擾檢測

廠區(qū)22kV GIS開關(guān)站、高壓輸電線鐵塔等是該核電廠雜散電流干擾源，選擇核島區(qū)22kV GIS開關(guān)站西側(cè)和化水車間南側(cè)進(jìn)行雜散電流干擾檢測，采用SCM雜散電流測試儀、便攜式硫酸銅參比電極(CSE)、ZC-8型土壤電阻率測試儀對管道地表電位梯度、埋地管道交流干擾電壓及土壤電阻率進(jìn)行檢測。

1.3 防腐蝕層缺陷及絕緣電阻檢測

對核島區(qū)的埋地管道開展防腐蝕層缺陷及絕緣電阻檢測，使用PCM+管道電流測繪系統(tǒng)對埋地管道防腐蝕層缺陷定位，開展埋地管道防腐蝕層絕緣電阻評價(jià)，同時(shí)使用交流電位梯度(ACVG)和直流電位梯度(DCVG)法對防腐蝕層缺陷進(jìn)行復(fù)檢及等級定性分類。

1.4 陰極保護(hù)電位檢測

核島區(qū)埋地管道和接地網(wǎng)整體采用外加電流區(qū)域性陰極保護(hù)，其接地網(wǎng)分區(qū)采用扁鋼、鍍鋅扁鋼、鍍鋅鋼管、銅絞線接地材料，其接地材料的保護(hù)面積約為1 000 m2，埋地管道保護(hù)面積約為10 000 m2，保護(hù)管道與非保護(hù)管道之間設(shè)有絕緣法蘭。在管道沿線設(shè)置60處分布式淺埋陽極和2處深井陽極地床對核島區(qū)埋地管道分區(qū)域開展陰極保護(hù)，分別為廠前區(qū)、廠后區(qū)四周、管廊區(qū)、04廠房以北和GIS廠房以南地區(qū)，管道沿線設(shè)置參比電極測試井，核島區(qū)埋地管道采用五臺(tái)恒電位儀對核島區(qū)埋地管道和接地網(wǎng)提供陰極保護(hù)電流。采用CIPS法對核島區(qū)埋地管道沿線的陰保電位開展檢測，在每臺(tái)恒電位儀的輸出端均設(shè)置GPS同步斷流器，檢測管道沿線的通電電位和斷電電位。

1.5 探坑開挖驗(yàn)證和管體篩查

開挖驗(yàn)證防腐蝕層的缺陷情況，確定防腐蝕層檢測的準(zhǔn)確度，并對缺陷大小、管道陰極保護(hù)電位、防腐蝕層附著力等進(jìn)行檢測，利用探坑開挖點(diǎn)，使用PI管道腐蝕超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)對探坑開挖點(diǎn)兩側(cè)的埋地管道體積缺陷開展篩查。

2 埋地管道外腐蝕檢測結(jié)果及評價(jià)

2.1 土壤腐蝕性

參考EJ 484-1989《三千萬瓦壓水堆核電廠廠區(qū)土壤腐蝕性勘測與評定》中土壤腐蝕性的影響因素及評價(jià)指數(shù)，用綜合指數(shù)法對46處0～2 m土壤層、5處0～4 m土壤層、4處0～6 m土壤層的腐蝕性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖1所示。全廠0～2 m土壤層的腐蝕性為“弱-中等”腐蝕性，0～4 m土壤層的腐蝕性為“中等”腐蝕性，0～6 m土壤層的腐蝕性為“中等-強(qiáng)”腐蝕性。全廠腐蝕性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在海水泵房西北區(qū)、核島區(qū)新消防水泵房西側(cè)、從開關(guān)站起至動(dòng)力區(qū)、水廠區(qū)域，這些區(qū)域離海堤較近，海水中氯離子逐步滲入至深層土壤層導(dǎo)致土壤腐蝕性增強(qiáng)[1]。

圖1 土壤的腐蝕性Fig. 1 Corrosivity of soil

2.2 雜散電流干擾

分別在區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行和關(guān)閉狀態(tài)下開展雜散電流檢查，結(jié)果如表1所示，對比GB/T 19285-2014標(biāo)準(zhǔn)中對交流干擾和直流干擾的評價(jià)指標(biāo)可知，兩處測試點(diǎn)的交流干擾程度為“弱”，直流干擾程度為“中-強(qiáng)”。

2.3 防腐層缺陷及絕緣電阻

由表2可見：埋地管道防腐蝕層的絕緣等級為“2～4級”，防腐蝕層存在缺陷15處。

使用DCVG對ACVG檢測出的15處埋地管道防腐蝕層缺陷進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。3處防腐蝕層缺陷處的地表電位梯度分布規(guī)律較明顯，2處防腐蝕層缺陷管道基體的腐蝕活性為陽極/陽極(A/A)，其IR降分別為19.6%、32.2%，防腐蝕層缺陷嚴(yán)重程度為2級，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管；另外1處防腐蝕層缺陷管道基體的腐蝕活性為陰/陰(C/C)，其IR降為9.6%，防腐蝕層缺陷嚴(yán)重程度為1級，暫不需要維修。

2.4 陰極保護(hù)電位

核島區(qū)的埋地管道的區(qū)域性陰極保護(hù)電位CIPS(密間隔電位檢測)檢測間距為0.5 m，根據(jù)檢測結(jié)果對埋地管道沿線的陰極保護(hù)電位有效性進(jìn)行評價(jià)。考慮到埋地管道周圍鋪設(shè)回填砂，并且核島區(qū)土壤電阻率較高，建議采用GB/T 19285-2014標(biāo)準(zhǔn)中極化電位差大于100 mV的保護(hù)準(zhǔn)則，對比CIPS測試管道沿線陰極保護(hù)電位與標(biāo)準(zhǔn)要求，核算出陰極保護(hù)電位有效管段的占比，如表4所示，在所檢測的管道中，大部分管道陰極保護(hù)有效，局部埋地管道陰極保護(hù)電位存在欠保護(hù)。

表4 管道陰極保護(hù)電位CIPS檢查結(jié)果Tab. 4 CIPS test results of pipe cathodic protection potential

由圖2可見，15處埋地金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)斷電電位達(dá)到了-850 mV，26處埋地金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)斷電電位達(dá)到了極化電位大于100 mV標(biāo)準(zhǔn)，1處埋地金屬結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位“欠保護(hù)”。

圖2 參比電極井安裝點(diǎn)埋地金屬結(jié)構(gòu)物的通/斷電電位Fig. 2 Von and Voff of buried metal structure at reference electrode well

2.5 探坑開挖驗(yàn)證和管體篩查

對ACVG和DCVG檢查出的3處埋地管道防腐蝕層缺陷部位進(jìn)行開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)2處防腐蝕層缺陷。圖3(a)所示缺陷處管道發(fā)生穿孔泄漏，圖3(b)為24 cm×5 cm的長條狀埋地消防水管道防腐層缺陷，為管道安裝過程中機(jī)械損傷所造成的。探坑開挖部位防腐蝕層附著力測試結(jié)果為合格。超聲導(dǎo)波篩查消防水管道探坑兩側(cè)的埋地管道體積缺陷，篩查結(jié)果如圖4所示，消防水管道管體缺陷篩查的有效距離為10 m，卡具向前、向后各5 m的回波信號(hào)有效，且卡具往后-1.1 m和往前2.1 m處分別有兩個(gè)回波信號(hào)，聚焦顯示均不是管體缺陷。現(xiàn)場開展超聲測厚，管道實(shí)測所得的最小壁厚均大于出廠名義壁厚的87.5%，管道壁厚滿足繼續(xù)使用要求。

(a) 穿孔泄漏管道

圖4 消防水管道管體缺陷篩查結(jié)果Fig. 4 Screening results of fire water pipe defects

3 結(jié)論與建議

(1) 全廠0～2 m土壤層的腐蝕性較弱，0～4 m和0～6 m土壤層的腐蝕性較強(qiáng)，海水倒灌促進(jìn)氯離子遷移，導(dǎo)致廠區(qū)土壤腐蝕性較強(qiáng)；全廠埋地管道存在較強(qiáng)的直流干擾，建議加強(qiáng)對該核電廠埋地管道直流雜散電流干擾的監(jiān)測；

(2) 全廠埋地管道防腐蝕層主要為四油三布和環(huán)氧樹脂，大部分管道防腐蝕層的絕緣電阻為1.1～5.3 kΩ·m2，少量管道的防腐蝕層的絕緣電阻低于1.0 kΩ·m2；防腐蝕層發(fā)生老化降質(zhì)，對管道基體的防護(hù)性能逐漸減弱；管體超聲導(dǎo)波篩查，未發(fā)現(xiàn)截面損失率大于3%的管體缺陷，且超聲實(shí)測管道最小壁厚均大于出廠名義壁厚的87.5%，管道壁厚滿足繼續(xù)使用，建議定期對全廠埋地管道防腐蝕層和管體缺陷開展篩查；

(3) 該核電廠核島區(qū)埋地金屬結(jié)構(gòu)物區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)可對其埋地管道和接地網(wǎng)提供良好的陰極保護(hù)，被保護(hù)埋地金屬結(jié)構(gòu)物大部分區(qū)域的陰極保護(hù)電位滿足極化電位差大于100 mV標(biāo)準(zhǔn)，局部位置埋地金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)電流被鋼筋混凝土屏蔽，導(dǎo)致其陰極保護(hù)欠保護(hù)，建議在欠保護(hù)的部位補(bǔ)充安裝犧牲陽極塊，加強(qiáng)其保護(hù)效果。