核電廠不銹鋼廢水管道泄漏原因分析及解決措施

楊 添 唐耀波 官益豪 熊 壯

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

0 引言

核電廠海廢水管道主要功能是為循環(huán)水系統(tǒng)、開式循環(huán)水系統(tǒng)等海水相關(guān)系統(tǒng)的廢水通過排水泵排放進(jìn)入虹吸井。一般情況下，核電廠廢水排水泵位于常規(guī)島，廢水從排水泵排出后通過管廊后進(jìn)入虹吸井。管廊內(nèi)通常會布置多種管道和部分電氣設(shè)備，管線一旦發(fā)生泄漏，噴出的海水可能會影響漏點(diǎn)附近的其他管道和電氣設(shè)備正常運(yùn)行，存在安全隱患。

國內(nèi)某核電廠管廊中的海廢水管道長達(dá)200～300m，在電廠運(yùn)行6年內(nèi)發(fā)現(xiàn)高達(dá)45處泄漏問題，泄漏情況如圖1所示。2臺機(jī)組海廢水母管設(shè)計材質(zhì)為316L不銹鋼，支管設(shè)計材質(zhì)為304L不銹鋼，接頭為焊接方式連接，內(nèi)壁無防腐措施。

圖1 海廢水管道腐蝕穿孔

本文就海廢水管道泄漏原因進(jìn)行了分析，對新建、在建核電廠海廢水管道設(shè)計、施工給出了建議。

1 海廢水管道泄漏原因分析

1.1 材料分析

采用便攜式合金分析儀對管道進(jìn)行光譜分析，成分如表1所示。管道材質(zhì)符合022Cr19Ni10（304L）或022Cr17Ni12Mo2（316L）不銹鋼的合金成分組成。

表1 材質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果

表2為國內(nèi)其他核電廠海水介質(zhì)管道材料使用情況。從表2中可以看出，大口徑的海水循環(huán)管道主要使用碳鋼+涂層+陰極保護(hù)（部分）或超級奧氏體不銹鋼，大口徑管道可定期進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行檢查和處理；而反沖洗管道（小口徑）由于內(nèi)部無法進(jìn)入而檢查，主要使用不銹鋼材料或碳鋼襯塑，使用的最低等級不銹鋼為316L，未發(fā)現(xiàn)有使用304L不銹鋼的情況。

表2 其他核電廠海水管道用材

1.2 介質(zhì)分析

海廢水管道內(nèi)部介質(zhì)為海水，水質(zhì)情況如表3所示。從表中3可以看出，介質(zhì)中含有較多的Cl-，其中Cl-會破壞不銹鋼材料表面的鈍化膜，從而引起不銹鋼發(fā)生腐蝕[1,2]。

表3 海廢水管道介質(zhì)

1.3 泄漏原因分析

不銹鋼在海水介質(zhì)中發(fā)生腐蝕穿孔的主要機(jī)理為點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕即小孔腐蝕或孔蝕，它是點(diǎn)狀的腐蝕，且從金屬表面向內(nèi)擴(kuò)展，形成腐蝕坑。這種腐蝕的危害性在于材料在均勻腐蝕不明顯的情況下腐蝕穿孔。鹵族元素Cl-對不銹鋼鈍化膜具有很強(qiáng)的破壞能力，因此不銹鋼在含有大量Cl-的海水中易發(fā)生點(diǎn)蝕[3]。

點(diǎn)蝕原理為在鈍化膜的破壞點(diǎn)出現(xiàn)被廣大陰極區(qū)包圍的微陽極，在微陽極內(nèi)，金屬快速溶解形成金屬離子，相應(yīng)的Cl-增加，高濃度金屬氯化物水解又使蝕孔內(nèi)陽極液的pH值下降，進(jìn)一步提高金屬的溶解速率。這一自催化過程使點(diǎn)蝕迅速向內(nèi)縱深發(fā)展形成蝕孔，點(diǎn)蝕原理示意圖如圖2所示，現(xiàn)場腐蝕形貌與該圖類似，這種腐蝕形貌在海水環(huán)境中極易出現(xiàn)。

圖2 不銹鋼點(diǎn)蝕示意圖及現(xiàn)場腐蝕形貌

不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能與不銹鋼的化學(xué)成分密切相關(guān)，經(jīng)過不銹鋼腐蝕研究工作者的長期工作，已經(jīng)建立耐點(diǎn)蝕性能和化學(xué)成分的關(guān)系式，稱為耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE，Pitting Resistance Equivalent）[3]，其中最常用的公式為：

式中化學(xué)元素 Cr%，Mo%，N%表示其百分含量。

3 1 6 L和3 0 4 L不 銹 鋼 相 比，3 0 4 L耐 點(diǎn) 蝕 當(dāng)量（PRE）為18.0～20.0，316L耐腐蝕當(dāng)量為22.6～27.9，316L耐點(diǎn)蝕性能更好，計算結(jié)果如表4所示。在Cl-環(huán)境中，304L不銹鋼具有低的點(diǎn)蝕電位，點(diǎn)蝕的可能性大，304L不銹鋼在中性溶液中發(fā)生腐蝕的臨界Cl-濃度約為200ppm[4]，常溫下建議304L不銹鋼在含氯離子含量小于100ppm的環(huán)境中使用，現(xiàn)場取樣檢測出管道內(nèi)實(shí)際濃度為938ppm，遠(yuǎn)超適用范圍，因此支管母材選用不合適是導(dǎo)致支管母材發(fā)生泄漏的主要原因。

表4 閥瓣和螺栓點(diǎn)蝕當(dāng)量計算

同時，大部分泄漏部位位于焊縫附近或焊縫本體，管道焊接過程中受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫熱影響區(qū)金相組織變化較大，可能造成晶粒粗大，分布不均，夾雜物含量增加，出現(xiàn)貧Cr區(qū)。且由于管道內(nèi)介質(zhì)長期不流通，雜質(zhì)在底部沉積，在局部形成電位差，加上Cl-對表面鈍化膜的破壞作用，導(dǎo)致管道底部焊縫區(qū)域?yàn)楦g敏感區(qū)。由此可知，焊接過程導(dǎo)致材料耐腐蝕性能下降，促進(jìn)了腐蝕穿孔的發(fā)生。

由于腐蝕環(huán)境和腐蝕條件同時存在，母管母材在高濃度的氯離子環(huán)境中，且管道底部存在復(fù)雜的雜質(zhì)沉積層，在多方面因素共同作用下，不銹鋼鈍化膜被氯離子破壞，引起點(diǎn)蝕發(fā)生，最終導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏。

2 解決措施及建議

2.1 連接方式變更

由于大部分泄漏部位位于焊縫，因此，針對多次泄漏的焊縫部位，可進(jìn)行連接方式變更，焊接連接方式改為法蘭連接，可有效避免因焊接導(dǎo)致的泄漏。

2.2 材料替代

根據(jù)調(diào)研，其他核電廠使用碳鋼襯塑和雙相不銹鋼均取得了良好的效果，但碳鋼襯塑造價遠(yuǎn)低于雙相不銹鋼，因此，推薦使用碳鋼襯塑管道替換304L不銹鋼管道。

2.3 添加緩蝕劑

針對不銹鋼點(diǎn)蝕，通常而言最簡便、最經(jīng)濟(jì)的方法是添加緩蝕劑，在排水泵入口添加緩蝕劑可有效抑制不銹鋼的點(diǎn)蝕[5,6]。不銹鋼緩蝕劑種類很多，通常分為有機(jī)緩蝕劑、無機(jī)緩蝕劑和混合型緩蝕劑。不同類型的緩蝕劑適用不同的工況條件，具體選用何種緩蝕劑需要進(jìn)一步論證。

3 結(jié)語

雖然海廢水管道是核電廠的輔助設(shè)備，不影響核安全，但其涉及的點(diǎn)蝕問題可發(fā)生在海水冷卻管道，對核電廠海水管道和設(shè)備的腐蝕設(shè)計、施工和防腐管理具有重要的參考意義。