核電站海水循環水泵部件腐蝕原因分析及處理

張云乾 馬向陽 高倩鈺 張曉虎

（1. 江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222024；2. 中冶檢測認證有限公司，北京 100088）

0 引言

田灣核電站海水循環采用的是俄羅斯OB2-185E型泵，立式安裝，下部是工作葉輪,海水通過泵管由-10M提升到+2M，進入凝汽器水室，海水循環水泵長期處于苛刻的海水腐蝕環境中，OB2-185E泵的初始防腐設計是通過材料自身的耐海水腐蝕特性來實現的，主要部件都選用不銹鋼材料，部件材料見表1所示，在泵的入口及出口處分別設置了一段A3鋼材料的管段，此兩段管道各安裝6塊犧牲陽極，陽極尺寸為（350+300）×（140+100）×65mm，鐵腳尺寸30×30×3mm，重7.5Kg，泵體結構示意圖及犧牲陽極布置圖見分別如圖1、圖2所示。循泵由多種材質構成，內部防腐的好壞取決于陽極保護的效果，不當的陰極保護會帶來腐蝕問題甚至影響設備的正常運行[1-4]。

圖1 泵體結構示意圖

圖2 進出口犧牲陽極

表1 PAC循泵主要零部件材料表

循泵的冷卻介質都是黃海連云港市高公島鄉海域的海水，地處季風氣候的海濱地區，地理坐標119°27′33″E，34°41′09″N。海水表層平均溫度14.8℃，夏季25.6℃，冬季3.8℃，最高31.5℃，最低-2.0℃，海水成分如表2所示。

表2 田灣核電海水成分表

1 腐蝕缺陷及原因分析

2005年設備普查時在循泵泵體上發現過一些腐蝕問題，這些腐蝕問題主要是由于設備調試期間，泵進海水試轉后，長時間沒有運行，滯留海水和泥沙沉積造成的不銹鋼部件的局部腐蝕，表象多為縫隙腐蝕和點蝕，采取了一些措施如加裝淡水沖洗管線，泵殼外增加電連接，對泥沙分離器擴孔等，這些措施在一定程度上解決了或者緩解了一些腐蝕問題。在后期解體檢修時，主要發現下面幾個顯著的腐蝕問題。

1.1 循泵進出口陽極脫落

在前幾次大修中，多次發現有犧牲陽極脫落或半脫落，脫落的陽極在泵的渦流作用下與葉輪間歇性碰觸，會造成泵入口異音、循泵停泵、機組降功率運行。脫落的部位都是在犧牲陽極鐵腳與碳鋼管道的結合處。

此類陽極是俄羅斯供貨，外形近似我國A11E-8型號陽極，陽極脫落后，取樣進行了化學成分和電化學指標的實驗，結果顯示如表3所示。

表3 樣品化學成分

目前，Al-Zn-In系合金是國內外公認的鋁犧牲陽極系列，化學成分如表4所示。其中鋁是自鈍化金屬，活性強，表面極易鈍化，若要作為犧牲陽極材料，只能通過合金化限制和阻止表面形成連續性氧化膜，促進表面活性，使合金具有較負的電位和較高的電流效率。作為犧牲陽極用的鋁合金，一般會填加5%左右的鋅，Zn 鋅作為鋁陽極的合金元素有如下特點：

表4 Al-Zn-In系合金陽極的化學成分

（1）有助于鋁的合金化，成分均勻；

（2）使鋁的電位負向移動0.1～0.3V；

（3）易活化，產物易脫落。為使陽極的腐蝕產物更易脫落，在Al-Zn兩元合金基礎上填加In，這樣陽極表面生成一層膠狀的腐蝕產物，較為松軟，易被水沖掉，Al-Zn-In系合金的腐蝕形態不夠均勻，有蝕坑，為了進一步改善陽極性能，現在又在Al-Zn-In中填加Cd、Sn、Si及Mg等元素。

分析俄羅斯供的陽極化學成分，未檢測到In和Cd等有益的合金元素，因此表面腐蝕產物不容易溶掉，從而積聚結殼，將陽極包裹，如圖3所示，這種包裹使陽極鈍化，進而加速陽極的極化，降低甚至喪失原有的保護功能，失效而脫落的陽極如圖4所示。

圖3 陽極腐蝕產物包裹示意圖

圖4 實際脫落的陽極形貌

陽極在安裝前，沒有采取重防腐涂料保護陽極背面，陽極工作后，陽極背面和被保護體之間縫隙中腐蝕產物體積擴張且又難以溶于海水，使陽極鐵腳承受巨大的拉應力；另一方面，由于俄供陽極成分單一，腐蝕產物溶解性極差，造成陽極外表面結殼，阻止陽極連續反應，無法釋放保護電流，使碳鋼鐵腳失去保護，直接暴露在海水中迅速發生腐蝕，在拉應力的聯合作用下，最終斷裂。

1.2 循泵葉輪主螺栓局部腐蝕

葉輪連接主螺栓材料為07X14H4Б，是一種低碳馬氏體不銹鋼，是非常優良的水輪機、水泵零件用材料，其有著優異的機械性能，屈服強度達到800MPa，主螺栓安裝后，位于導流罩內，安裝的位置如圖5、圖6所示。在泵運行期間，導流罩內海水屬于非流動海水，并且會有淤泥沉積下來，腐蝕環境比較苛刻，而螺母材料為高溫變形不銹鋼，由于螺栓材料（馬氏體不銹鋼）在海水中的抗蝕性低于部件基材和螺母材料，所以被腐蝕的都是螺栓，相當于犧牲了螺栓，保護了螺母和其他附近部件。

圖5 葉輪主螺栓的裝配圖

圖6 葉輪主螺栓安裝位置圖

而對于進口段的碳鋼管段及犧牲陽極所產生的保護陰極電流，由于導流罩的強大的電流屏蔽作用，根本到達不了主螺栓部位，所以此處螺栓完全處于非保護狀態。淤泥的沉積及電化學的雙重作用，產生的特征明顯的沉積腐蝕形貌[1]，如圖7所示，螺栓拆除清洗后的形貌如圖8所示。

圖7 主螺栓在安裝位置的腐蝕形貌

圖8 主螺栓清洗后的腐蝕形貌

2 處理方案及效果驗證

2.1 PAC循泵進出口陽極處理及效果驗證

根據陽極的脫落原因，采取了如下幾項措施：（1）提出物項替代，將原俄供陽極更換為國產的雙鐵腳鋁鋅銦三元合金陽極；（2）編制陽極更換程序，程序中作出明確規定，在陽極安裝前，陽極背面必須涂裝重防腐涂料；（3）在陽極安裝后，將所有外露的陽極鐵腳，采取重防腐涂料涂裝保護。安裝后的陽極狀態如圖9所示。

圖9 陽極安裝后的形貌

陽極安裝后經過幾個大修周期的驗證，陽極消耗均勻，腐蝕產物脫落正常，陽極鐵腳連接緊固，如圖10所示。被保護體處于陰極保護狀態未見腐蝕，未再發生陽極脫落導致機組停泵降功率事件。

圖10 陽極使用10個月后的形貌

2.2 循泵葉輪主螺栓處理及效果驗證

主螺栓安裝位于導流罩內部，由于電流屏蔽效應，外部的犧牲陽極的保護電流難以到達，所以現場采取兩項措施進行了改進：

（1）在葉輪主螺栓外圍一周加裝環形鐵犧牲陽極，對其進行補充陰極保護，如圖11、圖12所示；

圖11 環形鐵陽極

圖12 葉輪的主螺栓安裝位置的實物照片

（2）對所有螺栓的外露部分加裝保護罩，并采取密封膠密封，防止海水進入內部，達到隔絕電解質的目的，安裝后如圖13所示。

圖13 主螺栓加保護罩后的形貌

經過幾個大修周期，拆除保護罩后，螺栓頭部未見腐蝕，保護良好，如圖14所示。

圖14 使用一個大修周期后的形貌

3 結語

核電站的海水系統的腐蝕問題根據各個電站所處的海域，設備材料等級，運行工況等有所不同，海水的腐蝕性較強，同時構成海水系統的材料種類繁多，極易構成電偶腐蝕電池，導致局部腐蝕的發生，如果由于陽極材料與環境不匹配，陰極保護電流屏蔽等原因導致陰極保護效果較差，將無法抑制腐蝕的發生，本文所述的幾個腐蝕問題也多為不銹鋼材料的局部腐蝕（如點蝕，縫隙腐蝕等），根據腐蝕類型采取相應的防腐工藝措施，經過驗證是能夠很好的抑制腐蝕的發生的，進而保證機組安全可靠運行，以海水主循環泵的腐蝕原因分析與良好應對措施為例，對于核電站海水系統腐蝕與防護工作有以下幾點建議：

（1）加強交流，借鑒同行的成功經驗；

（2）靈活運用各種防腐蝕工藝，如熱噴涂，涂裝，陰極保護，襯里等技術，調查引起腐蝕的主要原因后，需要針對性的調整防腐措施；

（3）建立設備腐蝕檔案，對腐蝕進行預測和監督，以“防”為主。