賈斌斌 黃 皓 韓 健 張樹剛 關(guān)銀柏

（1. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2. 臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東 江門 529227）

0 引言

某核電廠首次大修期間，檢查發(fā)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)海水隔離蝶閥腐蝕嚴(yán)重，蝶板和閥腔內(nèi)部本體多處涂層鼓泡、破損，涂層破損部位腐蝕產(chǎn)物堆積，多處存在腐蝕坑，軸套部位較深一處腐蝕坑深9.5mm；蝶閥與襯膠短管連接部位法蘭密封面銹蝕嚴(yán)重，縫隙堆積腐蝕產(chǎn)物，清除腐蝕產(chǎn)物后露出金屬基體無金屬光澤，發(fā)生石墨化[1-3]。蝶閥腐蝕情況如圖1所示。

圖1 蝶閥腐蝕情況

2 腐蝕原因分析

蝶閥接觸海水部件中，蝶板和閥體為STQNiCr鎳鉻合金鑄鐵，涂裝重防腐涂料（底漆H06-5，面漆ZF101），閥體密封圈和密封橡膠調(diào)節(jié)壓板為316不銹鋼，采用316不銹鋼螺栓與蝶板和閥體連接。通過設(shè)計(jì)審查、工程安裝歷史情況跟蹤和現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)分析，蝶閥腐蝕原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）涂裝質(zhì)量差

閥體內(nèi)腔及蝶板直接與海水接觸，涂裝H06-5+ZF101重防腐涂料。在運(yùn)輸及安裝過程中或?qū)ν繉釉斐闪似茐?，閥門安裝完成后對(duì)破壞涂層局部修補(bǔ)，修補(bǔ)涂層附著力差、易分層，運(yùn)行情況下隨著時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生涂層脫落和鼓泡，當(dāng)STQNiCr金屬基體（Ni和Cr含量低， STQNiCr元素化學(xué)成分如表1所示）與海水接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生腐蝕[4-6]。防腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)雖然考慮了海水環(huán)境中使用重防腐涂料，但未考慮涂層破損后的極端情況，未采用海水環(huán)境中涂層+陰極保護(hù)最優(yōu)組合防腐蝕措施[7,8]；

表1 鑄鐵STQNiCr元素化學(xué)成分

（2）電偶腐蝕

蝶板密封圈為316材質(zhì)，閥體與蝶板（內(nèi)板）為STQNiCr，鑄鐵在海水中電位為-0.36V，316在海水中（鈍態(tài)）電位+0.20V，兩者之間構(gòu)成電位差[9]，涂層破壞部位發(fā)生電偶腐蝕，對(duì)腐蝕缺陷的產(chǎn)生起到加速作用；

（3）結(jié)構(gòu)縫隙

因閥門和閥門連接短管為不同廠家供貨，安裝結(jié)構(gòu)上存在偏差。閥門法蘭密封面無涂層，襯膠短管密封面部位有倒角，導(dǎo)致安裝完成后閥體法蘭密封面暴露在海水中，且形成縫隙結(jié)構(gòu)，閥門法蘭密封面發(fā)生均勻腐蝕和縫隙腐蝕[10]，蝶閥與襯膠短管安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蝶閥與襯膠短管安裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 防腐改進(jìn)方案

3.1 防腐維修

原有涂層部位采用動(dòng)力工具進(jìn)行表面處理，涂裝耐陰極剝離的Interzone 954重防腐涂料，厚度要求300μm以上[11]。法蘭密封面采用陶瓷涂料進(jìn)行密封和填補(bǔ)。

3.2 加裝犧牲陽極

為確保長(zhǎng)效防腐措施，本次處理加裝了犧牲陽極，在涂層破損的情況下，提供額外的保護(hù)，同時(shí)，也可保護(hù)閥門的不銹鋼部件[12]。

（1）犧牲陽極設(shè)計(jì)

犧牲陽極設(shè)計(jì)保護(hù)對(duì)象為蝶板、閥體、裸露在外的不銹鋼部件，圖3紅色線條區(qū)域所示為犧牲陽極保護(hù)范圍。閥軸等不直接暴露在海水中，但可能滲入海水的部件，由于屏蔽效應(yīng)[13-15]，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)無法提供保護(hù)，不在本設(shè)計(jì)保護(hù)范圍內(nèi)。

圖3 犧牲陽極保護(hù)范圍示意圖

根據(jù)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)安裝4只A2型（Al-Zn-In-Mg-Ti）400×（115+135）×130mm規(guī)格鋁合金犧牲陽極可對(duì)閥門起到陰極保護(hù)效果，設(shè)計(jì)壽命6.2年[16,17]。為降低對(duì)管道內(nèi)流體狀態(tài)影響，犧牲陽極安裝于與閥軸同水平位置，被保護(hù)設(shè)備與犧牲陽極需要電連接導(dǎo)通，在管道外部設(shè)置跨接線確保電連續(xù)性；

（2）犧牲陽極受力計(jì)算

正常工況下，管道內(nèi)充滿常溫海水，溫度范圍為13.3～33℃，流量不超過27m3/s。在一個(gè)換料周期內(nèi)，犧牲陽極的服役環(huán)境基本保持不變。

蝶閥上下游管道流場(chǎng)建模過程時(shí)，考慮閥門的節(jié)流作用產(chǎn)生壓損，閥后的壓力會(huì)降低，故閥前犧牲陽極服役條件相對(duì)閥后更惡劣。因此本次分析中僅對(duì)閥前管道中犧牲陽極以及附近的流場(chǎng)開展計(jì)算流體力學(xué)仿真分析。且根據(jù)設(shè)計(jì)文件，由于閥前管道中的兩個(gè)犧牲陽極為水平對(duì)稱布置，為提高計(jì)算效率、降低計(jì)算工作量，本次分析僅建立半個(gè)管道及單個(gè)犧牲陽極。根據(jù)犧牲陽極在管道中的支撐結(jié)構(gòu)和布置特性，流體通過支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的繞流對(duì)犧牲陽極的作用有限，故在流體力學(xué)仿真分析中實(shí)際建模中未將其建出[18,19]。最終建立的半個(gè)管道分析模型流體區(qū)域如圖4所示。

圖4 分析模型流體區(qū)域示意圖

強(qiáng)度校核準(zhǔn)則參考《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》[20]，一般受力角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)滿足如下公式：

其中fσ為垂直于焊縫方向作用力在焊縫有效截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)力。fτ為平行于焊縫方向作用力在焊縫有效截面上產(chǎn)生的平均剪應(yīng)力。fβ為強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高系數(shù)，對(duì)承受靜力荷載或間接動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)取1.22，對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)取1.0。為角焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。在后續(xù)計(jì)算中，βf取值為1.22。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》，取值為160MPa。

首先通過流體分析確定犧牲陽極附近的流場(chǎng)情況，然后將流體對(duì)犧牲陽極的沖擊作用以壓力形式施加在犧牲陽極結(jié)構(gòu)上，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重，計(jì)算犧牲陽極區(qū)域應(yīng)力分析情況，校核相關(guān)位置的應(yīng)力強(qiáng)度，流場(chǎng)犧牲陽極應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 流場(chǎng)犧牲陽極應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

最終計(jì)算結(jié)果如下：

（1）螺栓與底板連接處角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度最大值為9.14MPa，遠(yuǎn)小于焊接材料的屈服強(qiáng)度（177MPa）；角焊縫有效截面強(qiáng)度滿足機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范要求；

（2）底板與管壁連接處角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度最大值為2.92MPa，遠(yuǎn)小于焊接材料的屈服強(qiáng)度（177MPa）；角焊縫有效截面強(qiáng)度滿足機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范要求；

（3）螺栓應(yīng)力強(qiáng)度最大值為41.6MPa，遠(yuǎn)小于螺栓材料的屈服強(qiáng)度（177MPa）。

4 總結(jié)與反饋

（1）本案例蝶閥與連接短管為不同廠家供貨，未考慮相互配合問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫隙產(chǎn)生，同時(shí)無防腐措施的密封面直接與海水接觸導(dǎo)致腐蝕發(fā)生，建議電廠工程建設(shè)階段做好防腐蝕設(shè)計(jì)審查，避免類似問題發(fā)生；

（2）海水環(huán)境下設(shè)備單純的采取涂層涂裝方式無法形成有效的腐蝕防護(hù)，仍面臨腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用重防腐涂料+犧牲陽極（陰極保護(hù)）聯(lián)合的保護(hù)方式，保證海水環(huán)境中服役設(shè)備的長(zhǎng)效防腐。