臺山核電合營有限公司 付俊偉

在核電廠運行過程中消防水系統(tǒng)管道腐蝕是一個避不開的話題，隨著電廠運行時間的延長腐蝕問題變得加突出，近幾年各基地偶有發(fā)生，對電廠安全穩(wěn)定運行帶來了一些困擾，群廠專項小組也在重點關(guān)注這一共性問題，目前還沒有找到徹底解決方案。

1 核電廠消防水系統(tǒng)管道所存在的腐蝕問題

當(dāng)前我國大部分核電廠消防水系統(tǒng)管道都選擇了碳鋼或鍍鋅碳鋼作為主要材質(zhì)，而埋入地下的管道主要是球墨鑄鐵管，會在周邊添加一定數(shù)量的砂漿混合瀝青以達(dá)到保護(hù)目的。核電廠消防水系統(tǒng)的主要功能是輸送足夠流量和壓力的消防水，在運行過程中消防管網(wǎng)一般是處于靜止和封閉狀態(tài)，只有在設(shè)備檢修及消防試驗過程中才會讓一些管段出現(xiàn)流動，因此這也讓核電廠消防水系統(tǒng)管道腐蝕監(jiān)控與管理工作面臨著一定的困難，主要存在以下腐蝕問題。

均勻腐蝕。核電廠消防水系統(tǒng)主要是輸送原水、生活用水或除鹽水，這就導(dǎo)致消防水有著一定數(shù)量的NaCl 與O2，其腐蝕性相對較強(qiáng)，會對碳鋼管道內(nèi)部產(chǎn)生均勻的腐蝕。由于消防管道是一個封閉性較高的系統(tǒng)，無法從大氣中獲得足夠的氧氣供給，在發(fā)生腐蝕后管道內(nèi)部的氧氣含量會逐漸減少，因此均勻腐蝕給消防水系統(tǒng)管道所帶來的腐蝕效果相對較為有限，并不會向管道深處發(fā)展，也不會嚴(yán)重?fù)p害消防水系統(tǒng)管道的完整性。

電偶腐蝕。核電廠消防水系統(tǒng)中主要包含了不銹鋼及碳鋼兩種電偶，一般碳鋼會在不銹鋼和碳鋼直接連接處產(chǎn)生最大的腐蝕傾向，應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注這一部位，特別是消防水泵進(jìn)出口接管產(chǎn)生腐蝕情況的概率相對較高，主要是由于消防水泵采取了高耐蝕合金作為殼體與葉輪的材料，而接管則主要是碳鋼，在水泵不斷啟動時勢必會讓碳鋼管道面臨著加速腐蝕。

微生物腐蝕。根據(jù)GB/T14643.5標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求對某核電廠消防水進(jìn)行檢測，得知消防水中有一定數(shù)量的鐵細(xì)菌（水樣一8.0cfu/mL、水樣二2.0cfu/mL）及硫酸鹽還原菌（水樣一未檢出、水樣二1.7cfu/mL）。由于核電廠消防水系統(tǒng)中是以原水為主要介質(zhì)，消防水泵前后段的消防水管會因為補(bǔ)水操作而吸入一定量的氧氣，這讓鐵細(xì)菌有了良好生存條件，加之環(huán)網(wǎng)段或末端管道大部分時間都處在封閉性狀態(tài)，缺氧環(huán)境讓硫酸鹽還原菌這類厭氧性細(xì)菌具備一定的生存條件。消防水系統(tǒng)管道微生物腐蝕主要指的是微生物腐蝕細(xì)菌在金屬氧化過程中成功獲取一定能量，并生成相應(yīng)的代謝物，實現(xiàn)對微觀環(huán)境的改變，這樣管道就會受到不同程度的腐蝕。

管瘤腐蝕。核電廠消防水系統(tǒng)中包含淡水系統(tǒng)，其碳鋼管道很容易產(chǎn)生管瘤腐蝕，主要有微生物繁殖、水生物附著、消防水淤泥沉積及水生物腐蝕產(chǎn)物等方面的來源。整個管瘤腐蝕中Fe（OH）3、硅酸鹽、碳酸鹽及部分碎石泥沙組成了最外層的瘤皮，之下便是Fe（OH）3與Fe3O4組成的瘤殼，成功劃分了內(nèi)外部的實際氧含量高低。Fe（OH）3是一種性能上佳的導(dǎo)體，能讓腐蝕面出現(xiàn)的電子以瘤殼為載體和外部環(huán)境的氧氣產(chǎn)生陰極反應(yīng)，進(jìn)而生成相應(yīng)的氫氧根離子[1]。在瘤殼下則分別是瘤核與金屬面，其中金屬面是出現(xiàn)腐蝕反應(yīng)的關(guān)鍵部位。一般核電廠消防水系統(tǒng)管道的垢下是產(chǎn)生管瘤腐蝕的核心部位，如若未能及時采取措施進(jìn)行處理，就會逐步擴(kuò)散至整個管道，嚴(yán)重危害管道的整體性能（圖1）。

圖1 管瘤腐蝕具體樣貌

埋地腐蝕、穿墻處腐蝕、水質(zhì)惡化后的腐蝕。埋地腐蝕主要指的是埋地管道出現(xiàn)了腐蝕，包括管線外腐蝕以及管線內(nèi)壁腐蝕，其中管線外腐蝕的主要成因是防腐層失效或被破壞、雜散電流沖擊、土壤應(yīng)力影響等，管線內(nèi)壁腐蝕的主要成因是化學(xué)反應(yīng)影響、油砂沖蝕等。穿墻處腐蝕指的是核電廠消防水系統(tǒng)管道穿越墻體的部位出現(xiàn)了腐蝕，一般是因為墻體對管道的應(yīng)力分布不均、墻體中存在著眾多腐蝕性的微生物等。水質(zhì)惡化后的腐蝕主要指的是核電廠消防水質(zhì)因為受到外部環(huán)境的影響而產(chǎn)生惡化，并作用于管壁，導(dǎo)致管壁的銷蝕變薄，引發(fā)不必要的水能消耗。

2 核電廠消防水系統(tǒng)管道監(jiān)測評估方式

2.1 腐蝕評估

核電廠消防水系統(tǒng)管道有著相對較為復(fù)雜的設(shè)計與布置，管道會因為區(qū)域、管徑、工況的不同，在腐蝕性、維修難度、監(jiān)管難度等方面的存在著較大的差異。故而在對核電廠消防水系統(tǒng)管道進(jìn)行腐蝕監(jiān)測前，應(yīng)當(dāng)制定合理的管道分級原則，根據(jù)不同消防管道的基本特征來進(jìn)行分級管理，有針對性地采取相契合處理方式，確保部分腐蝕性較高、維修難度較高的管道能夠得到妥善的處置。

一般分級管理可根據(jù)三個維度進(jìn)行：腐蝕敏感性、維修難度以及抗震性。其中消防水的腐蝕敏感性由其流動頻繁性所決定，主要有不流動、低間歇流動、高間歇流動及連續(xù)流動四個等級，流動越頻繁消防水的腐蝕敏感性也就越高；維修難度主要是根據(jù)管道的高度、埋地深度、是否處于紅橙區(qū)、是否具備可隔離性等進(jìn)行判定；抗震性則是基于系統(tǒng)既定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

2.2 腐蝕監(jiān)測

核電廠消防水系統(tǒng)管道腐蝕問題無法從根本上避免，因此為確保消防水系統(tǒng)管道能夠正常運行，須定期對其進(jìn)行腐蝕監(jiān)測。因為管道內(nèi)部基本沒有檢查窗口，加之大部分管線有著較長的距離，管道有著較為復(fù)雜的設(shè)計與布置，通過內(nèi)部檢查所得出的結(jié)果不能夠正確判定管道腐蝕的具體程度。所以應(yīng)在管道穿孔情況出現(xiàn)前主動進(jìn)行預(yù)防性厚度測試，常用的方式便是超聲導(dǎo)波檢測[2]。

技術(shù)人員通過超聲導(dǎo)波可以完成對管道的初步排查，一般是使用磁致伸縮超聲導(dǎo)波測厚這一方式，導(dǎo)波在管道中會呈現(xiàn)出扭力波、縱波以及彎曲波這三種狀態(tài)，其中扭力波的傳播范圍較為狹窄，僅局限于固體，且當(dāng)導(dǎo)波頻率產(chǎn)生變化后扭力波也不會出現(xiàn)聲速的變化，因此技術(shù)人員可以對扭力波進(jìn)行分析，進(jìn)而得出較為準(zhǔn)確的管道檢測結(jié)果。

具體檢測原理主要是，探頭陣列會將一束超聲能量脈沖發(fā)射至所有管道壁厚中，在傳播時如若遭遇了管道橫截面積變化時，導(dǎo)播信號就會出現(xiàn)散射、反射等情況，這樣一來不同傳感器就會接受到反射回來的能量，技術(shù)人員只需要對能量進(jìn)行深入分析就能夠了解到管道產(chǎn)生缺陷的具體情況。并且按照缺陷所生成附加波形轉(zhuǎn)換信號，就能夠正確識別支撐、環(huán)焊縫這類管道特征信號和缺陷信號。

渦流檢測也是檢測管道腐蝕的一種常用方法，其原理主要是讓所發(fā)射的線圈通過一定頻率的正弦交變變流時，會在空間中發(fā)射出既定波長的周期性交變磁場，這一磁場會讓導(dǎo)電金屬材料內(nèi)出現(xiàn)渦流并形成渦流場，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的二次磁場，這樣一來金屬表面就會密集分布渦流場，而沿縱向深度迅速衰減的現(xiàn)象被稱之為趨膚效應(yīng)，這一效應(yīng)是管道腐蝕檢測的關(guān)鍵因素。當(dāng)金屬表層產(chǎn)生了裂紋、腐蝕凹坑這類不規(guī)則缺陷，那么就會對感應(yīng)渦流的強(qiáng)度以及流向產(chǎn)生不同的影響，二次磁場就會在幅值以及方向等方面產(chǎn)生變化。一般來說其中的巨磁阻磁敏芯片（GMR）對絕對磁場B 的變化相對較為敏感，因此工作人員可以利用這一特性將GMR 芯片設(shè)計成傳感器，以此來對管道缺陷擾動信號進(jìn)行有效的提取。

漏磁檢測主要是在管線中的檢測裝置受到前后壓力差的影響而運動，管道壁內(nèi)側(cè)設(shè)置有永磁裝置，此時磁力線會經(jīng)過管壁形成一個閉合回路，如若檢測管道側(cè)壁并未出現(xiàn)金屬缺陷現(xiàn)象，那么磁力線就會在管壁內(nèi)集中，通過環(huán)形管壁形成相應(yīng)的閉合回路。如若所檢測的管線暴露出了缺陷型金屬流失情況，那么管道內(nèi)部的磁力線就會在走向以及分布等方面出現(xiàn)變化，這樣一來就會泄露一定數(shù)量的磁力線，此時傳感器就會檢測到漏磁所引發(fā)的磁場變化，并對這類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄與儲存，之后再通過分析與處理得出管線缺陷的大小尺寸，進(jìn)而實現(xiàn)對管道腐蝕情況的有效檢測。

上述檢測都屬于無損檢測方式，檢測過程對管道本身無影響，也不會加重腐蝕，在現(xiàn)場具有可執(zhí)行性[3]。

3 核電廠消防水系統(tǒng)管道腐蝕管理策略

因為核電廠消防水系統(tǒng)有著相對復(fù)雜的管道設(shè)計與布置，因此技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮到具體運行環(huán)境來選擇相契合的防腐工藝以及管理方式。

管道更換。直接更換管道是最為直接的管道腐蝕管理策略，通過管道定期測厚操作，會設(shè)定出某壁厚的最小要求值，如若壁厚降低幅度即將超出這一要求值，那么就必須對現(xiàn)有的管道進(jìn)行更換，避免管道出現(xiàn)穿孔失效或抗震性降低等情況。這一管理手段存在著一定的弊端，主要是因為更換管道會耗費大量的時間與精力，且難度相對較大，特別是難以合理安排上游管道的更換窗口。

材質(zhì)升級。核電廠消防水系統(tǒng)管道大都是以碳鋼為原材料，有著相對較弱的耐蝕性，因此技術(shù)人員可以對原有的材質(zhì)進(jìn)行升級，選擇不銹鋼材質(zhì)，有效迎合核電廠消防水系統(tǒng)不同工況下對腐蝕、沖刷、防護(hù)等方面的需求。但需要注意的是，在進(jìn)行材質(zhì)升級的過程中不能夠讓海水滲入到消防水之中，否則就會讓介質(zhì)中有著較高的氯離子濃度，這樣一來不銹鋼材質(zhì)也會產(chǎn)生局部腐蝕的情況。

定期巡視檢查，制定管道腐蝕管理計劃。核電廠可以把消防水系統(tǒng)管道納入到金屬監(jiān)督大綱之中，根據(jù)既定的程序進(jìn)行管理，采取超聲導(dǎo)波開展初步排查工作，針對所存在的異常信號進(jìn)行常規(guī)測厚以及超聲相控陣檢查。在消防水系統(tǒng)運行過程中，相關(guān)人員定期巡視檢查消防水系統(tǒng)管道，當(dāng)監(jiān)測到腐蝕減薄、強(qiáng)度下降之后，應(yīng)當(dāng)組織專業(yè)的技術(shù)人員對管道進(jìn)行維修。如若出現(xiàn)了穿孔、泄漏、斷裂這類異常情況，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照既定的應(yīng)急處理方案中要求進(jìn)行處理，以此來確保消防水系統(tǒng)的正常運行。同時還要根據(jù)消防水系統(tǒng)管道設(shè)計文件中的要求，提前組織好一定數(shù)量的焊接人員，選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に?，并做好備件采購工作，以此來確保出現(xiàn)突發(fā)現(xiàn)象時及時進(jìn)行維修或更換。

埋地布置方式調(diào)整。針對埋地管道可能出現(xiàn)的腐蝕情況，一是盡可能減少埋地管道布置，將埋地管道改為地面管道或者管廊內(nèi)管道；二是對必須埋地布置的管道，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體排流需求來明確管道陽極組的具體位置、不需要均勻分布，而在雜散電流較為強(qiáng)烈的區(qū)域則應(yīng)當(dāng)采取單支分裂方式[4]。哪怕在雜散電流較弱的區(qū)域，考慮到未來可能的變化，在條件允許的情況下每組也不宜超過2支。

水質(zhì)改善。對核電廠消防水系統(tǒng)管道中的水質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳?，最大化地降低其對管道的腐蝕性，主要采取原水、生活用水水源改為除鹽水水源，消防水池水質(zhì)監(jiān)測與更換，消防水池表面材料升級、定期排放管道里的污水，沖洗管道雜質(zhì)，定期試驗時延長放水時間等方式來改善消防水水質(zhì)，以提升核電廠消防水系統(tǒng)管道腐蝕管理效果。

4 結(jié)語

核電廠消防水系統(tǒng)管道很容易出現(xiàn)腐蝕問題，如若未能及時采取措施進(jìn)行處理，那么就會嚴(yán)重影響消防水系統(tǒng)的正常運行。因此技術(shù)人員要明確核電廠消防水系統(tǒng)管道常見的腐蝕情況，有針對性地選擇合理的檢測與管理方式，這樣才能夠最大化地降低管道腐蝕所帶來的不利影響，為核電廠安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造消防安全條件。