核電廠開式工業水系統埋地碳鋼管道腐蝕行為研究

吳昉赟 王 聰 張彥召 劉洪群 周 澄

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

秦山一廠30萬機組開式工業水系統已經使用了近三十年，主要為工業水泵、凝升泵和海升泵等各種水泵的密封填料和一般設備的冷卻器提供冷卻水，其包含的管道詳細信息如表1所示。近年來，秦山一廠30萬機組多次出現一回路海水泵冷卻水管、凝升泵冷卻水管堵塞現象，造成水泵軸承冷卻水流量下降甚至斷失，導致水泵可靠性下降，甚至系統降級，威脅電站運行安全。開式工業水系統的介質為經過凈水廠處理的澄清水，其各項指標均符合工業水水質標準，懸浮物數量遠低于標準限值，這種情況表明，末端管線發生堵塞現象的主要原因并不是源水水質，而是碳鋼管道內表面產生的腐蝕和沉積產物。為系統分析和解決開式工業水管道的腐蝕問題，有必要明確系統中碳鋼管道的腐蝕情況。

表1 開式工業水系統管道信息

1 理化檢驗與結果

1.1 管道宏觀形貌觀察

碳鋼管道的宏觀形貌如圖1所示，可以看出，其外壁未發生明顯的腐蝕，防腐涂層完好，部分涂層被打磨消除后，管道外表面呈均勻腐蝕形貌；管口附近的管道內表面存在約25mm厚的積垢，管道內堅硬的管結瘤清理后，基體表面存在2～3mm的凹坑。

圖1 開式工業水系統碳鋼管道表面狀態

1.2 垢物分析

對碳鋼管道內垢物取樣并進行X射線衍射分析（XRD），結果如圖2所示，由分析結果可知，碳鋼管道內垢物的主要成分是鐵的氧化物和少量泥砂，晶體結構為Fe3O4和FeO（OH）。

圖2 碳鋼管道垢物XRD分析結果

1.3 管道壁厚測量

將管道沿周向和軸向分別劃出如圖3所示的網格線，對各網格線交點位置利用GE-DM5E型超聲波測厚儀進行壁厚測量。軸向每條線共測量14點，從法蘭外側依次為1～14。周向14等分，由進口向出口方向觀察，依次為A、B、C…M、N，總計測量196個點，測量結果如表2所示。

表2 壁厚測量結果（單位：mm）

圖3 超聲測厚測量點分布示意圖

表2可得，管道分布有多處減薄部位，深淺不一，最小壁厚為3.24mm，最大壁厚為10.28mm。以10.28mm作為初始壁厚，則管道的減薄情況如表3所示。

表2 國外管材氣體爆破試驗數據庫統計

表3 管道減薄情況統計表

2 管道剩余壽命計算

根據NB/T 20193-2012《核電廠常規島汽水管道設計技術規范》，管道最小壁厚按公式（1）計算：

其中：

Sm為最小壁厚，單位為mm；

p為設計壓力，單位為MPa；

D0為管道外徑，單位為mm；

[σ]t為材料在設計溫度下的許用應力，單位為MPa；

η 為許用應力修正參數，對于無縫鋼管η=1.0；

Y為溫度修正系數，取0.4；

C為考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，單位為mm，本次計算取0。

溫度為20℃時，20#鋼的許用應力[σ]t為131MPa，工業水管道壓力p為0.96MPa，管道外徑D0為325mm，將以上數據代入公式（1）中，得出最小壁厚Sm=1.19mm。

管道局部最大減薄速率W可按公式（2）計算：

其中：

W為局部最大減薄速率，單位為mm/a；

t0為原始壁厚，單位為mm；

tf為局部穿孔后的最小壁厚，單位為mm；

T為時間間隔，單位為年。

碳鋼管道的公稱壁厚為8mm，在制造過程中存在一定的制造偏差。根據表4中的壁厚測量結果，最小壁厚tf為3.24mm，原始壁厚t0取最大壁厚測量值10.28mm，秦山一廠30萬機組從1991年12月并網，截止壁厚測量時已運行T=27年，帶入式（2）中可得W=0.26mm/a。文獻[3]指出，自來水管道的均勻腐蝕速率為0.1mm/a，局部穿孔最大腐蝕速率為0.3mm/a，與實測數據基本一致。

參照以上結果，送檢管道的剩余壽命約為（3.24-1.19）/0.26≈8年。如果采用合適的防腐工藝并清理管道內壁的管結瘤，則秦山一廠30萬機組開式工業水系統碳鋼管道按均勻腐蝕計，壽命約為（8～1.19）/0.1=68.1年，管道剩余壽命約40年。

3 結語

秦一廠開式工業水系統碳鋼管道埋地30余年后外壁防腐涂層仍舊完好，未發生明顯的腐蝕。管道內壁為管結瘤腐蝕導致的局部腐蝕減薄，管道整體腐蝕壽命滿足機組運行要求。