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        核電廠空氣冷卻器出口管道腐蝕穿孔原因分析

        2019-12-13 03:11:50吳昉赟趙衛(wèi)東劉洪群
        全面腐蝕控制 2019年11期
        關(guān)鍵詞:電偶碳鋼冷卻器

        周 澄 吳昉赟 趙衛(wèi)東 劉洪群

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

        0 引言

        核電廠發(fā)電機(jī)在發(fā)電的過程中會產(chǎn)生大量的熱量,產(chǎn)生的熱量通過各種冷卻介質(zhì)(氫氣、空氣、定子冷卻水、潤滑油等)傳遞給冷卻水系統(tǒng)。

        勵磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過空氣傳遞給海水冷卻水系統(tǒng)來實現(xiàn)冷卻。勵磁發(fā)電機(jī)封閉在一個整體外罩內(nèi),罩內(nèi)裝有空氣冷卻器,形成封閉通風(fēng)系統(tǒng),以保證機(jī)組在額定溫度范圍內(nèi)運行。冷卻空氣通過主勵磁機(jī)風(fēng)扇的鼓風(fēng)作用來實現(xiàn)內(nèi)循環(huán),冷卻空氣在通過空氣冷卻器冷卻管的外側(cè)時,由冷卻空氣吸收的熱量被傳送海水冷卻水系統(tǒng)。

        空氣冷卻器主要由冷卻管、管板、水室、海水管道和支架組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。海水介質(zhì)從海水管道、水室、冷卻管內(nèi)流入和流出,對空氣進(jìn)行冷卻。冷卻管和管板采用鈦管材質(zhì),表面無防腐措施。海水管道和水室為碳鋼材質(zhì),內(nèi)部涂裝防腐涂層來防止海水腐蝕。某核電廠的空氣冷卻器出口管道在運行不到6個月時間出現(xiàn)穿孔問題,如圖2所示,嚴(yán)重影響該設(shè)備的正常運行,進(jìn)而影響勵磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行,本文對空氣冷卻器出口管道穿孔原因進(jìn)行了分析。

        圖1 空氣冷卻器示意圖

        圖2 穿孔管道形貌

        1 穿孔原因分析

        空氣冷卻器出口管道腐蝕穿孔的原因在于兩個方面,第一方面是管道內(nèi)壁防腐涂層發(fā)生了失效,涂層失去對管道基體的保護(hù)作用;第二方面是海水介質(zhì)對管道基體產(chǎn)生了腐蝕。

        1.1 宏觀形貌分析

        對表面涂層進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)整體涂刷滿足要求,但有流掛,表面不光滑,局部涂層有銹蝕現(xiàn)象,如圖3所示。對管道內(nèi)部涂層厚度檢測發(fā)現(xiàn)涂層厚度位于280~780μm之間,涂層厚度不均。厚薄不均導(dǎo)致過厚的地方容易出現(xiàn)粗糙、結(jié)瘤、脫落等問題。穿孔位置位于管道彎管內(nèi)弧面,屬于防腐施工盲區(qū),表面處理困難,并且難以檢查表面處理質(zhì)量,可能引起涂裝效果與防腐性能不佳。

        將穿孔管道沿軸線縱向剖開,可以發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)數(shù)處點蝕區(qū)域,大部分位于管道內(nèi)弧面近中間位置,少數(shù)位于管道外弧面及進(jìn)出口附近。

        穿孔部位附近涂層破損,破損面積約為50×20mm,如圖4所示。穿孔邊緣附著大量紅褐色腐蝕產(chǎn)物,未發(fā)現(xiàn)明顯沖刷痕跡,說明材料受到海水沖刷作用不明顯,造成穿孔的主要機(jī)理為海水腐蝕。

        圖3 管道內(nèi)部形貌

        圖4 穿孔部位形貌

        1.2 海水腐蝕分析

        當(dāng)涂層局部破損以后,管道碳鋼材料直接與海水接觸,發(fā)生腐蝕,碳鋼在不同試驗點海水中暴露的平均腐蝕深度不同,如表1所示[1]。20#鋼在青島、舟山、廈門海域暴露一年的平均腐蝕速率均為0.18mm/a,暴露4年的最大腐蝕深度為0.64mm,其腐蝕速率為0.16mm/a,小于第一年的腐蝕速率。

        碳鋼在不同試驗點海水中暴露的平均點蝕深度如表2所示,點蝕深度可看作碳鋼腐蝕極限。從表2中可以看出,20#鋼在青島、舟山、廈門海域暴露1年的最大腐蝕深度為0.74mm,離秦山最近的舟山的點蝕腐蝕深度僅為0.38mm;暴露4年的最大腐蝕深度為1.54mm,平均腐蝕速率為0.385mm/a,遠(yuǎn)小于第一年的腐蝕速率。

        空氣冷卻器出口管道設(shè)計壁厚為4.5mm,運行不到半年時間,運行時間內(nèi)正常情況下(即使沒有涂層保護(hù))不會導(dǎo)致管道穿孔發(fā)生。

        表1 碳鋼在不同試驗點海水中暴露的平均腐蝕深度(mm)[1]

        表2 碳鋼在不同試驗點海水中暴露的平均點蝕深度(mm)[1]

        1.3 電偶腐蝕分析

        當(dāng)碳鋼管道與換熱相連接時,如果絕緣措施未做好,極易發(fā)生電偶腐蝕[2]。使用萬用表對其連接電阻進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)管道與蓋板間電阻值約為0.22Ω/0.44Ω,蓋板與管板之間的電阻值約為0.83Ω/0.54Ω,說明管道與管板之間電連接良好。由此可以確定管道與鈦板為非絕緣連接,形成了電偶腐蝕發(fā)生條件,傳熱管內(nèi)表面作為陰極,管道內(nèi)表面局部涂層破損區(qū)域作為陽極將加速腐蝕,如圖5所示。

        發(fā)生反應(yīng)如下:

        管道穿孔部位發(fā)生陽極反應(yīng):

        鈦管表面發(fā)生陰極反應(yīng):

        總反應(yīng):

        圖5 電偶腐蝕示意圖

        空氣冷卻器出口管道內(nèi)表面涂層局部破損以后,可以認(rèn)為局部破損部位作為犧牲陽極來保護(hù)鈦傳熱管。根據(jù)GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》[3],當(dāng)形成犧牲陽極保護(hù)時,犧牲陽極(也就是管道局部破損部位)發(fā)生電流:

        其中△E為驅(qū)動電位,根據(jù)GB/T 16166-2013中鐵陽極的驅(qū)動電位(△E)取0.25V;R為接水電阻,根據(jù)GB/T16166-2013,接水電阻滿足如下公式:

        其中L為長度;B為寬度;H為深度(如圖4所示;L約為50mm,B約為20mm,H取4.5mm);ρ為電阻率。隨時間和溫度的變化而變化,如表3所示。由于本管段穿孔時間段為2018年8月~2019年2月,因此分別選取8月~次年2月的最大電阻率數(shù)據(jù)和最小電阻率數(shù)據(jù),即55Ωcm和83Ωcm進(jìn)行計算。

        電偶腐蝕條件下,假定管道內(nèi)壁局部破損部位均勻消耗,直至穿孔,那么發(fā)生穿孔剩余時間為:

        其中Q為電容量,取900Ah/kg,G為局部破損部位重量;Im為實際發(fā)生電流,Im≈(0.6~0.8If)。

        取Im=0.6If,將上述數(shù)值代入公式計算得出:

        也就是說,當(dāng)管道內(nèi)壁涂裝并安裝完成以后,涂層經(jīng)過一定的時間發(fā)生老化破損以后,在電偶腐蝕的作用下再經(jīng)過62~91天的時間管道發(fā)生腐蝕穿孔。

        1.4 運行工況分析

        發(fā)生穿孔的部位為出口管道,其內(nèi)部介質(zhì)溫度高于入口管道介質(zhì)溫度。像大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)一樣,腐蝕的速率隨水溫的升高而增加[4]。這是由于當(dāng)溫度升高時,氧的擴(kuò)散系數(shù)增大,使得溶解氧更容易達(dá)到陰極表面而發(fā)生去極化作用;溶液電導(dǎo)率增加,腐蝕電流增大;水的黏度減小,有利于陽極和陰極反應(yīng)的去極化作用。因此出口管道因溫度升高而加快腐蝕。

        表3 秦山地區(qū)海水的pH值和電阻率

        一般來說,腐蝕速率隨海水的流速的增加而增加,這是因為流速增大時,提高了氧的擴(kuò)散系數(shù),介質(zhì)中的氧更快的傳遞到基體表面,從而加快反應(yīng)速率。出口管道外徑為133mm,壁厚為4.5mm,內(nèi)徑為124mm,設(shè)計流量為720m3/h,共有4根管道,可以計算得出管道內(nèi)流速約為4.14m/s。管道內(nèi)海水具有一定的流速,對海水的腐蝕具有一定的促進(jìn)作用。

        2 解決措施及建議

        2.1 防腐層選型

        管道穿孔部位位于彎頭內(nèi)弧面,屬于防腐施工盲區(qū),表面處理和防腐施工都較為困難,可能引起涂裝效果與防腐性能不佳。為徹底解決這一問題,建議將碳鋼+涂層管道改為不銹鋼或者碳鋼+襯膠管道。針對不銹鋼,要選擇適用海水中的耐蝕不銹鋼,例如超級奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼等;針對碳鋼+襯膠,襯膠具有良好的保護(hù)作用和彈性,不易破損并且耐海水沖刷,使用壽命較長。

        2.2 絕緣措施

        通過上述分析可知,造成空氣冷卻器出口管道穿孔的根本原因是穿孔管道和管板、傳熱管之間無絕緣措施,當(dāng)涂層破損以后,涂層破損部位和鈦管發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕而最終穿孔。因此在管道和水室之間、水室和管板之間增加絕緣措施,可徹底避免電偶腐蝕的發(fā)生。

        3 結(jié)束語

        空氣冷卻器作為核電廠勵磁發(fā)電機(jī)的冷卻裝置,其設(shè)備狀態(tài)嚴(yán)重影響勵磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行,因此,該設(shè)備的安全穩(wěn)定性應(yīng)該得到重視??諝饫鋮s器進(jìn)出口管道及水室均為碳鋼材料,內(nèi)部冷卻介質(zhì)為海水,為腐蝕敏感設(shè)備,平時要加強(qiáng)設(shè)備的防腐檢查和管理,避免因腐蝕原因?qū)е碌陌踩录l(fā)生。

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