核電廠消防水管道的腐蝕與防護(hù)研究

薛 翔,岳騰霄,廖善葦,劉洪群

(1.海南核電有限公司,海口 572700;2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

火災(zāi)事故會嚴(yán)重影響核電廠的安全可靠運(yùn)行,國內(nèi)某核電廠曾發(fā)生因火災(zāi)導(dǎo)致的反應(yīng)堆關(guān)閉事件[1]。核電廠消防系統(tǒng)是防止火災(zāi)、降低火災(zāi)后果的重要安全屏障。然而,隨著機(jī)組服役年限的增加,消防水管道不可避免會發(fā)生腐蝕問題。法國Belleville核電廠在2017年發(fā)生一起INES2級事件,該核電廠對消防水系統(tǒng)管道進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn),碳鋼管道壁厚減薄已不滿足抗震要求。法國對58臺機(jī)組進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn),29臺機(jī)組存在該共性問題[2]。國內(nèi)某核電廠消防水管道腐蝕情況統(tǒng)計(jì)顯示,需要立即處理的嚴(yán)重腐蝕管道數(shù)量占比5%[3]。近年來,國內(nèi)核電廠對于消防水腐蝕問題的重視程度逐漸提高,在消防水腐蝕評估、腐蝕管理、腐蝕檢測方面均開展了相關(guān)工作[4-7],但缺少系統(tǒng)性的核電廠消防水系統(tǒng)腐蝕與防護(hù)研究工作。

筆者以核電廠消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),從消防水管道運(yùn)行情況、水質(zhì)、材料特點(diǎn)等方面,分析了消防水管道腐蝕的主要原因,以及消防水管道腐蝕對機(jī)組安全運(yùn)行的主要影響,論述了可行的核電廠消防水系統(tǒng)腐蝕控制方法與措施。

1 核電廠消防水系統(tǒng)

1.1 核電廠消防水系統(tǒng)組成

某核電廠消防水系統(tǒng)的組成如圖1所示,可以分為消防供水系統(tǒng)和消防滅火系統(tǒng)兩部分[8-10]。

圖1 某核電廠消防水系統(tǒng)示意圖

1.1.1 消防供水系統(tǒng)

消防供水系統(tǒng)由消防水生產(chǎn)系統(tǒng)(JPP)、消防水分配系統(tǒng)(JPD)、常規(guī)島氣壓供水系統(tǒng)(JPH)組成。

消防水生產(chǎn)系統(tǒng)的功能是向核島廠房、常規(guī)島廠房及輔助系統(tǒng)(BOP)提供消防用水。系統(tǒng)設(shè)在循環(huán)水、重要廠用水及消防水(PX)聯(lián)合泵房,包括消防水池、消防水泵、管道及閥門等。

消防水分配系統(tǒng)的功能是將滿足設(shè)計(jì)壓力的消防水分配給核島、常規(guī)島、BOP等。其中,泵房至核島的消防輸水管用于輸送保護(hù)安全系統(tǒng)的消防水,按保護(hù)安全系統(tǒng)消防設(shè)施的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)置如下:從泵房伸出兩根消防管敷設(shè)在兩個安全廠用水管溝里并延伸至核島廠房,在核島內(nèi)形成環(huán)網(wǎng)。在核島消防環(huán)網(wǎng)上又引出兩根消防管通向常規(guī)島,在與常規(guī)島供水管網(wǎng)分界處的核島兩側(cè)各設(shè)有一個電動隔離閥。以電動隔離閥為抗震邊界,泵房至核島部分按照抗震1A級設(shè)計(jì),常規(guī)島及BOP的廠區(qū)供水管網(wǎng)是按照保護(hù)非安全系統(tǒng)消防設(shè)施的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,管網(wǎng)沒有抗震要求。

常規(guī)島氣壓供水系統(tǒng)的功能是維持日常管網(wǎng)的運(yùn)行壓力,此外還要提供火災(zāi)初期或第一臺消防泵尚未達(dá)到額定功率時的初期火災(zāi)消防水量。它的可靠性決定著是否能有效遏制火情的蔓延。

1.1.2 消防滅火系統(tǒng)

消防滅火系統(tǒng)包括核島消防水系統(tǒng)(JPI)、電氣廠房消防系統(tǒng)(JPL)、柴油發(fā)電機(jī)廠房消防系統(tǒng)(JPV)和常規(guī)島自動噴水滅火系統(tǒng)(JPT)。根據(jù)保護(hù)對象、噴淋強(qiáng)度、作用面積的不同,又分為預(yù)作用水噴淋滅火系統(tǒng)、預(yù)作用水噴霧滅火系統(tǒng)、開式水噴霧滅火系統(tǒng)等。消防滅火系統(tǒng)的管道大部分為干管,即系統(tǒng)主進(jìn)水主管;預(yù)作用系統(tǒng)的管道內(nèi)部為壓縮空氣,開式系統(tǒng)內(nèi)部為空氣。

1.2 消防水系統(tǒng)水質(zhì)特點(diǎn)

核電廠由生活飲用水系統(tǒng)(SEP)向消防水生產(chǎn)系統(tǒng)的消防水池供水,水質(zhì)滿足GB 5749-2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求。GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,市政給水、天然水源等均可作為消防水源,并宜采用市政給水,消防給水管道內(nèi)平時所充水的pH應(yīng)為6.0～9.0。

當(dāng)生活飲用水系統(tǒng)供水失效時,轉(zhuǎn)換成生水系統(tǒng)(SEA)供水,海水作為第三水源。核島內(nèi)RCP/RCV泵單獨(dú)的噴水滅火裝置由專設(shè)的除鹽水箱提供除鹽水,通過CO2加壓使用。為減少消防水管道的腐蝕問題,第三代核電機(jī)組已經(jīng)采用pH為9的除鹽水作為消防水源[11]。

1.3 消防水管道材料

核電廠消防水管道的材料選用依據(jù)包括以下三個方面:① 有抗震要求的消防供水管道采用碳鋼管道并以焊接方式連接,無抗震要求的常規(guī)島、BOP管道采用內(nèi)外熱浸鍍鋅管道,采用法蘭方式連接;② 埋地管道設(shè)計(jì)為內(nèi)襯水泥砂漿的球墨鑄鐵管;③ 根據(jù)GB/T 22158-2021《核電廠防火設(shè)計(jì)規(guī)范》,JPI系統(tǒng)中的RCP/RCV泵噴淋管道(干管)及排水管、JPL/JPV熔斷閥或雨淋閥后噴淋管道(干管)材料均為不銹鋼。

2 消防水管道常見腐蝕問題及影響

2.1 常見腐蝕問題

2.1.1 均勻腐蝕

根據(jù)消防水系統(tǒng)的工況特點(diǎn),消防水主要腐蝕問題是飲用水環(huán)境中的吸氧腐蝕。在飲用水環(huán)境中碳鋼的均勻腐蝕速率較低,且管道壁厚設(shè)計(jì)留有一定的腐蝕裕量,均勻腐蝕造成的危害相對較小。此外,大多數(shù)時間消防水系統(tǒng)處于滯流狀態(tài),不需要很長時間就能消耗大多數(shù)環(huán)境水中存在的溶解氧。電力研究學(xué)會(EPRI)研究了管道中溶解氧含量和腐蝕速率隨時間的變化規(guī)律,如圖2所示,在一條外徑為8 inch(1 inch=25.4 mm)的密閉管道內(nèi),腐蝕過程消耗了大量的氧氣,在10 d后氧氣消耗殆盡。隨著氧含量的降低,材料的腐蝕速率也逐漸減小。這說明針對內(nèi)部介質(zhì)不流動的管道,在一定時間內(nèi)氧氣消耗殆盡,其腐蝕也會減緩或停止。

圖2 某8 inch滯流管線中腐蝕速率和溶解氧質(zhì)量濃度

2.1.2 腐蝕瘤腐蝕

核電廠消防水系統(tǒng)管道內(nèi)部面臨的主要腐蝕問題是腐蝕瘤導(dǎo)致的局部腐蝕。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及研究表明,淡水中碳鋼管內(nèi)形成腐蝕瘤后,其下腐蝕坑的發(fā)展速度是碳鋼均勻腐蝕速率的2～6倍,腐蝕瘤高度是其下腐蝕坑深度的5～30倍,腐蝕瘤下的腐蝕速率大部分為0.25～0.50 mm/a,嚴(yán)重時腐蝕速率可達(dá)1.3～2.5 mm/a,典型腐蝕瘤形貌如圖3(a)所示,腐蝕瘤結(jié)構(gòu)從外到里依次為瘤皮、瘤殼、瘤核、充液腹腔和腐蝕面,如圖3(b)所示。

圖3 消防水管道內(nèi)腐蝕瘤的宏觀形貌和結(jié)構(gòu)示意

瘤皮是最外層,其主要組成是氫氧化鐵,以及碳酸鹽、硅酸鹽和沉積在上面的碎石和泥沙。

瘤皮下面是瘤殼,瘤殼主要由黑色的赤鐵礦和針鐵礦組成,薄而脆。瘤殼是內(nèi)部極低氧含量與外部較高氧含量的分界。赤鐵礦是很好的導(dǎo)體,能促進(jìn)在腐蝕面生成的電子通過瘤殼與外面的氧發(fā)生陰極反應(yīng)生成氫氧根離子。瘤殼的厚度與腐蝕速率和氧含量均有關(guān)。

瘤核是腐蝕瘤的主體,通常其質(zhì)量占整個腐蝕瘤的90%。瘤核的主要成分是氫氧化亞鐵,亞鐵離子是在腐蝕面產(chǎn)生的,氫氧根離子是在瘤皮和瘤殼上形成的。氫氧根離子通過瘤殼上的裂紋被傳送到瘤核與亞鐵離子反應(yīng)生成氫氧化亞鐵。亞鐵離子與其他陰極離子如碳酸根離子反應(yīng)生成少量的碳酸亞鐵。流速越慢,瘤核越大。

充液腹腔的形成依賴于局部區(qū)域的pH。在腐蝕瘤內(nèi)部一定量的酸性離子濃縮會使局部區(qū)域呈酸性,酸性環(huán)境阻礙氧化物和氫氧化物的沉積,形成一個充液腹腔。充液腹腔尺寸隨腐蝕瘤內(nèi)局部區(qū)域酸度和pH梯度的強(qiáng)弱而變化。流速越低,酸性陰離子濃度梯度越大,越容易造成腐蝕瘤內(nèi)部酸性陰離子濃縮,充液腹腔越大。綜上所述,流速越低,瘤核和充液腹腔越大,腐蝕瘤就越大。

腐蝕瘤的最下層是腐蝕面,在腐蝕面的金屬發(fā)生腐蝕,基本上腐蝕瘤中所有的鐵離子都是由它提供的。腐蝕面形狀呈一個淺的圓盤,寬度大于其深度。并且,腐蝕面的邊界與其上的腐蝕瘤邊界基本重合。如果腐蝕面嚴(yán)重向下凹陷,表明在腐蝕瘤內(nèi)部存在硫酸鹽還原菌引起的進(jìn)一步腐蝕。

2.1.3 空泡腐蝕

消防水生產(chǎn)系統(tǒng)中的消防水泵需要定期試驗(yàn),每次啟動消防水泵時,消防水通過帶有節(jié)流孔板的旁路管道流回到消防水池。管道材料為碳鋼,牌號為A106 Gr.WPB,管道外徑為114.3 mm,壁厚為3.6 mm,節(jié)流孔板材料為不銹鋼,牌號為Z2CN18-10,節(jié)流孔板孔徑為19 mm。國內(nèi)各核電廠消防水生產(chǎn)系統(tǒng)旁路管線孔板下游發(fā)生過多次腐蝕穿孔問題,由于該管線的維修涉及到機(jī)組10的狀態(tài),所以受到各個核電廠的重視[12-15]。

旁路管道內(nèi)部典型腐蝕形貌如圖4所示,腐蝕形貌以節(jié)流孔板為分界,上游為腐蝕瘤形貌,下游10～30 cm處出現(xiàn)蜂窩狀腐蝕坑,腐蝕坑邊緣銳利,發(fā)生腐蝕穿孔位置在節(jié)流孔板下游20 cm附近,為典型的空泡腐蝕形貌。

圖4 消防水管道空泡腐蝕形貌

2.2 消防水管道腐蝕影響

消防水管道腐蝕的常見影響包括:腐蝕穿孔影響系統(tǒng)的功能;泄漏的消防水噴淋到電氣設(shè)備等影響其他系統(tǒng)設(shè)備的功能;管道腐蝕減薄;不滿足抗震要求。除此之外,消防水管道腐蝕還會對消防水系統(tǒng)產(chǎn)生如下影響。

2.2.1 閥門卡澀

消防水管道的腐蝕產(chǎn)物滯留于管道內(nèi)壁,當(dāng)管道下游用戶用水時,腐蝕產(chǎn)物不可避免會有少量脫落,并隨水流一起流動,當(dāng)下游用戶停止用水時水流停止流動,此時腐蝕產(chǎn)物可能滯留于系統(tǒng)主隔離閥密封面,這在隔離維修時會導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán),從而造成閥門內(nèi)漏,影響系統(tǒng)的功能[16]。

2.2.2 噴淋管線及噴淋頭堵塞

消防水管道的腐蝕產(chǎn)物會堵塞噴淋管線及噴淋頭,影響滅火功能。美國NRC通報(bào)了多起噴淋管線、噴淋頭因腐蝕產(chǎn)物堵塞的案例,流量試驗(yàn)后排水不當(dāng),導(dǎo)致管道內(nèi)局部區(qū)域有水殘留;管內(nèi)殘留水與加壓空氣中的氧形成局部腐蝕環(huán)境,造成管內(nèi)腐蝕以及腐蝕產(chǎn)物積聚,最終導(dǎo)致噴淋管道支線、噴淋頭堵塞。

3 消防水管道腐蝕管理

核電廠消防水管道腐蝕管理是系統(tǒng)性的工作,包括以下幾個方面:定期檢查、檢測和評估,腐蝕控制,壽期腐蝕管理等。

3.1 定期檢查、檢測與評估

近年,國內(nèi)相關(guān)工作人員在消防水管道的檢查、檢測與評估方面開展了工作[6-7],但是尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的檢測要求。美國核電廠根據(jù)NFPA 25-2020StandardfortheInspection,Testing,andMaintenanceofWater-BasedFireProtectionSystems的相關(guān)要求,定期執(zhí)行相關(guān)檢查及相關(guān)試驗(yàn)工作,涉及腐蝕問題的檢查包括以下3個方面。

(1) 通過目視檢查評估部件的內(nèi)外表面狀態(tài)及管道內(nèi)部流動阻塞情況,如果發(fā)現(xiàn)被檢測面因材料損失發(fā)生壁厚不均勻現(xiàn)象(可能導(dǎo)致壁厚減薄),則需執(zhí)行壁厚檢測。

(2) 對不能排盡水或有水聚集的管段(如干管或預(yù)作用噴淋管)進(jìn)行流量試驗(yàn)或沖洗,以發(fā)現(xiàn)潛在的流動阻塞現(xiàn)象,或進(jìn)行100%內(nèi)部目視檢查。

(3) 抽取20%管段進(jìn)行壁厚檢測,識別每個測試點(diǎn)的劣化程度(如均勻腐蝕、微生物腐蝕),每5 a所抽取的20%測試點(diǎn)應(yīng)不相同。

消防水管道可采用超聲測厚、射線檢測,低頻電磁(LFET)等方法進(jìn)行腐蝕檢測,根據(jù)檢測結(jié)果,開展腐蝕評估和抗震評估。

3.2 腐蝕控制

3.2.1 水質(zhì)控制

消防水系統(tǒng)的水質(zhì)對消防水管道的腐蝕控制起著重要作用。某水電廠消防用水直接取自江河原水,未進(jìn)行相應(yīng)的殺菌處理,服役較短時間后發(fā)生微生物腐蝕,消防水管道發(fā)生泄漏[17]。國內(nèi)核電近年在水質(zhì)控制方面做了較多嘗試,如在消防水系統(tǒng)中增加沖洗回路[18]或增加除氧回路[19],第三代機(jī)組將消防水源改為除鹽水,在消防水管道中添加緩蝕劑[20]。

美國核電廠消防水系統(tǒng)水源為原水,原水經(jīng)過一系列水處理技術(shù)處理(低于飲用水處理)后可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提升。美國核電廠是在消防水系統(tǒng)用原水中添加緩蝕劑,而非在投入使用的消防水各系統(tǒng)中添加緩蝕劑。EPRI報(bào)告指出,將消防水系統(tǒng)使用的原水換成飲用水,管道壽命就可以從預(yù)期的20 a延長到30 a。中國核電廠消防水系統(tǒng)水源經(jīng)過處理后達(dá)到了飲用水標(biāo)準(zhǔn),飲用水系統(tǒng)需經(jīng)過殺菌處理,且要求末梢水應(yīng)保有殺菌劑,圖5為中國和美國核電廠消防水水質(zhì)控制的對比。

圖5 中國和美國消防水水質(zhì)控制對比

3.2.2 腐蝕消防水管道修復(fù)

針對服役年限較長且管道內(nèi)壁有腐蝕瘤的管道,國內(nèi)有些核電廠采用旋風(fēng)法去除管道內(nèi)腐蝕瘤后涂裝涂層。旋風(fēng)法的原理如下:對于實(shí)際流體,如水、空氣,當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界值時,流體流動呈無序的混亂狀態(tài),稱為湍流,旋風(fēng)法利用湍流,將大量加載著石英砂等磨料的空氣,在管內(nèi)連續(xù)渦旋湍流運(yùn)動條件下,對管道內(nèi)壁進(jìn)行除銹、除垢之后,再利用湍流將涂料涂敷在管道內(nèi)壁,其施工工藝如圖6所示[21-22]。

圖6 旋風(fēng)法腐蝕治理工藝

此外,針對不可更換的消防水管道,國外核電廠采用原位成型防腐蝕內(nèi)襯技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。比利時Tihange3核電站消防水主管網(wǎng)直徑為300 mm,穿越變壓器下方,隨著服役時間的延長,380 kV變壓器下方的管道出現(xiàn)泄漏,該位置無法通過開挖方式修復(fù)且不可長期隔離,電廠采用非結(jié)構(gòu)修復(fù)內(nèi)襯進(jìn)行修復(fù)處理,采用氣壓翻轉(zhuǎn)方式進(jìn)行施工,用蒸汽進(jìn)行固化,之后管道視頻檢測表明內(nèi)部修復(fù)質(zhì)量良好,后續(xù)的水壓試驗(yàn)結(jié)果同樣滿足要求[23]。

3.2.3 優(yōu)化定期試驗(yàn)規(guī)程

消防滅火系統(tǒng)部分管道為干管,但是需要定期進(jìn)行通水試驗(yàn),由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題或操作問題,通水試驗(yàn)后未進(jìn)行吹掃或者吹掃不干凈,導(dǎo)致部分水殘留,進(jìn)而導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕[24],或腐蝕產(chǎn)物堵塞噴淋頭,影響噴淋頭可用性。目前,為解決此類問題,核電廠在試驗(yàn)管道增加壓縮空氣吹掃接口,增加低位排水管,此外國外核電廠還用氮?dú)庵脫Q管道內(nèi)壓縮空氣。

3.2.4 新材料應(yīng)用

近年來,出現(xiàn)了不少用于消防水管道的新材料,如內(nèi)襯(覆)不銹鋼復(fù)合鋼管[25]、承插壓合式連接薄壁不銹鋼管。在考慮核電廠消防水管道的抗震要求的情況下,結(jié)合新材料的性能特點(diǎn),適當(dāng)選用新材料,可以有效減少核電廠消防水管道的腐蝕問題。

3.3 腐蝕分級管理

面對核電廠眾多的消防水管道,國內(nèi)已有核電廠采取腐蝕分級的方式進(jìn)行管理[4],表1為消防水管道腐蝕分級,參照該表對某核電廠近千根消防水管道進(jìn)行腐蝕分級,其中C3級管道數(shù)量占6%,C2級管道數(shù)量占9%,C1級管道數(shù)量占41%,C0級管道數(shù)量占44%。

表1 消防水管道腐蝕分級

4 結(jié)束語

隨著核電廠運(yùn)行時間的延長,通常在消防水系統(tǒng)投運(yùn)7～15 a后,部分管線的全面腐蝕和局部腐蝕問題將逐漸加重。應(yīng)根據(jù)消防水管道的腐蝕情況,建立分級管理和預(yù)防性維修制度,并根據(jù)不同的腐蝕風(fēng)險等級采取不同的防腐蝕措施和工藝,及時開展腐蝕防護(hù)工作,從而降低消防水管道的腐蝕問題,使機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行。