核电厂消防水系统管道腐蚀管理方式优化分析

台山核电合营有限公司 付俊伟

在核电厂运行过程中消防水系统管道腐蚀是一个避不开的话题，随着电厂运行时间的延长腐蚀问题变得加突出，近几年各基地偶有发生，对电厂安全稳定运行带来了一些困扰，群厂专项小组也在重点关注这一共性问题，目前还没有找到彻底解决方案。

1 核电厂消防水系统管道所存在的腐蚀问题

当前我国大部分核电厂消防水系统管道都选择了碳钢或镀锌碳钢作为主要材质，而埋入地下的管道主要是球墨铸铁管，会在周边添加一定数量的砂浆混合沥青以达到保护目的。核电厂消防水系统的主要功能是输送足够流量和压力的消防水，在运行过程中消防管网一般是处于静止和封闭状态，只有在设备检修及消防试验过程中才会让一些管段出现流动，因此这也让核电厂消防水系统管道腐蚀监控与管理工作面临着一定的困难，主要存在以下腐蚀问题。

均匀腐蚀。核电厂消防水系统主要是输送原水、生活用水或除盐水，这就导致消防水有着一定数量的NaCl 与O2，其腐蚀性相对较强，会对碳钢管道内部产生均匀的腐蚀。由于消防管道是一个封闭性较高的系统，无法从大气中获得足够的氧气供给，在发生腐蚀后管道内部的氧气含量会逐渐减少，因此均匀腐蚀给消防水系统管道所带来的腐蚀效果相对较为有限，并不会向管道深处发展，也不会严重损害消防水系统管道的完整性。

电偶腐蚀。核电厂消防水系统中主要包含了不锈钢及碳钢两种电偶，一般碳钢会在不锈钢和碳钢直接连接处产生最大的腐蚀倾向，应当重点关注这一部位，特别是消防水泵进出口接管产生腐蚀情况的概率相对较高，主要是由于消防水泵采取了高耐蚀合金作为壳体与叶轮的材料，而接管则主要是碳钢，在水泵不断启动时势必会让碳钢管道面临着加速腐蚀。

微生物腐蚀。根据GB/T14643.5标准中的相关要求对某核电厂消防水进行检测，得知消防水中有一定数量的铁细菌（水样一8.0cfu/mL、水样二2.0cfu/mL）及硫酸盐还原菌（水样一未检出、水样二1.7cfu/mL）。由于核电厂消防水系统中是以原水为主要介质，消防水泵前后段的消防水管会因为补水操作而吸入一定量的氧气，这让铁细菌有了良好生存条件，加之环网段或末端管道大部分时间都处在封闭性状态，缺氧环境让硫酸盐还原菌这类厌氧性细菌具备一定的生存条件。消防水系统管道微生物腐蚀主要指的是微生物腐蚀细菌在金属氧化过程中成功获取一定能量，并生成相应的代谢物，实现对微观环境的改变，这样管道就会受到不同程度的腐蚀。

管瘤腐蚀。核电厂消防水系统中包含淡水系统，其碳钢管道很容易产生管瘤腐蚀，主要有微生物繁殖、水生物附着、消防水淤泥沉积及水生物腐蚀产物等方面的来源。整个管瘤腐蚀中Fe（OH）3、硅酸盐、碳酸盐及部分碎石泥沙组成了最外层的瘤皮，之下便是Fe（OH）3与Fe3O4组成的瘤壳，成功划分了内外部的实际氧含量高低。Fe（OH）3是一种性能上佳的导体，能让腐蚀面出现的电子以瘤壳为载体和外部环境的氧气产生阴极反应，进而生成相应的氢氧根离子[1]。在瘤壳下则分别是瘤核与金属面，其中金属面是出现腐蚀反应的关键部位。一般核电厂消防水系统管道的垢下是产生管瘤腐蚀的核心部位，如若未能及时采取措施进行处理，就会逐步扩散至整个管道，严重危害管道的整体性能（图1）。

图1 管瘤腐蚀具体样貌

埋地腐蚀、穿墙处腐蚀、水质恶化后的腐蚀。埋地腐蚀主要指的是埋地管道出现了腐蚀，包括管线外腐蚀以及管线内壁腐蚀，其中管线外腐蚀的主要成因是防腐层失效或被破坏、杂散电流冲击、土壤应力影响等，管线内壁腐蚀的主要成因是化学反应影响、油砂冲蚀等。穿墙处腐蚀指的是核电厂消防水系统管道穿越墙体的部位出现了腐蚀，一般是因为墙体对管道的应力分布不均、墙体中存在着众多腐蚀性的微生物等。水质恶化后的腐蚀主要指的是核电厂消防水质因为受到外部环境的影响而产生恶化，并作用于管壁，导致管壁的销蚀变薄，引发不必要的水能消耗。

2 核电厂消防水系统管道监测评估方式

2.1 腐蚀评估

核电厂消防水系统管道有着相对较为复杂的设计与布置，管道会因为区域、管径、工况的不同，在腐蚀性、维修难度、监管难度等方面的存在着较大的差异。故而在对核电厂消防水系统管道进行腐蚀监测前，应当制定合理的管道分级原则，根据不同消防管道的基本特征来进行分级管理，有针对性地采取相契合处理方式，确保部分腐蚀性较高、维修难度较高的管道能够得到妥善的处置。

一般分级管理可根据三个维度进行：腐蚀敏感性、维修难度以及抗震性。其中消防水的腐蚀敏感性由其流动频繁性所决定，主要有不流动、低间歇流动、高间歇流动及连续流动四个等级，流动越频繁消防水的腐蚀敏感性也就越高；维修难度主要是根据管道的高度、埋地深度、是否处于红橙区、是否具备可隔离性等进行判定；抗震性则是基于系统既定的设计标准进行判定。

2.2 腐蚀监测

核电厂消防水系统管道腐蚀问题无法从根本上避免，因此为确保消防水系统管道能够正常运行，须定期对其进行腐蚀监测。因为管道内部基本没有检查窗口，加之大部分管线有着较长的距离，管道有着较为复杂的设计与布置，通过内部检查所得出的结果不能够正确判定管道腐蚀的具体程度。所以应在管道穿孔情况出现前主动进行预防性厚度测试，常用的方式便是超声导波检测[2]。

技术人员通过超声导波可以完成对管道的初步排查，一般是使用磁致伸缩超声导波测厚这一方式，导波在管道中会呈现出扭力波、纵波以及弯曲波这三种状态，其中扭力波的传播范围较为狭窄，仅局限于固体，且当导波频率产生变化后扭力波也不会出现声速的变化，因此技术人员可以对扭力波进行分析，进而得出较为准确的管道检测结果。

具体检测原理主要是，探头阵列会将一束超声能量脉冲发射至所有管道壁厚中，在传播时如若遭遇了管道横截面积变化时，导播信号就会出现散射、反射等情况，这样一来不同传感器就会接受到反射回来的能量，技术人员只需要对能量进行深入分析就能够了解到管道产生缺陷的具体情况。并且按照缺陷所生成附加波形转换信号，就能够正确识别支撑、环焊缝这类管道特征信号和缺陷信号。

涡流检测也是检测管道腐蚀的一种常用方法，其原理主要是让所发射的线圈通过一定频率的正弦交变变流时，会在空间中发射出既定波长的周期性交变磁场，这一磁场会让导电金属材料内出现涡流并形成涡流场，进而产生相应的二次磁场，这样一来金属表面就会密集分布涡流场，而沿纵向深度迅速衰减的现象被称之为趋肤效应，这一效应是管道腐蚀检测的关键因素。当金属表层产生了裂纹、腐蚀凹坑这类不规则缺陷，那么就会对感应涡流的强度以及流向产生不同的影响，二次磁场就会在幅值以及方向等方面产生变化。一般来说其中的巨磁阻磁敏芯片（GMR）对绝对磁场B 的变化相对较为敏感，因此工作人员可以利用这一特性将GMR 芯片设计成传感器，以此来对管道缺陷扰动信号进行有效的提取。

漏磁检测主要是在管线中的检测装置受到前后压力差的影响而运动，管道壁内侧设置有永磁装置，此时磁力线会经过管壁形成一个闭合回路，如若检测管道侧壁并未出现金属缺陷现象，那么磁力线就会在管壁内集中，通过环形管壁形成相应的闭合回路。如若所检测的管线暴露出了缺陷型金属流失情况，那么管道内部的磁力线就会在走向以及分布等方面出现变化，这样一来就会泄露一定数量的磁力线，此时传感器就会检测到漏磁所引发的磁场变化，并对这类数据信息进行记录与储存，之后再通过分析与处理得出管线缺陷的大小尺寸，进而实现对管道腐蚀情况的有效检测。

上述检测都属于无损检测方式，检测过程对管道本身无影响，也不会加重腐蚀，在现场具有可执行性[3]。

3 核电厂消防水系统管道腐蚀管理策略

因为核电厂消防水系统有着相对复杂的管道设计与布置，因此技术人员应当综合考虑到具体运行环境来选择相契合的防腐工艺以及管理方式。

管道更换。直接更换管道是最为直接的管道腐蚀管理策略，通过管道定期测厚操作，会设定出某壁厚的最小要求值，如若壁厚降低幅度即将超出这一要求值，那么就必须对现有的管道进行更换，避免管道出现穿孔失效或抗震性降低等情况。这一管理手段存在着一定的弊端，主要是因为更换管道会耗费大量的时间与精力，且难度相对较大，特别是难以合理安排上游管道的更换窗口。

材质升级。核电厂消防水系统管道大都是以碳钢为原材料，有着相对较弱的耐蚀性，因此技术人员可以对原有的材质进行升级，选择不锈钢材质，有效迎合核电厂消防水系统不同工况下对腐蚀、冲刷、防护等方面的需求。但需要注意的是，在进行材质升级的过程中不能够让海水渗入到消防水之中，否则就会让介质中有着较高的氯离子浓度，这样一来不锈钢材质也会产生局部腐蚀的情况。

定期巡视检查，制定管道腐蚀管理计划。核电厂可以把消防水系统管道纳入到金属监督大纲之中，根据既定的程序进行管理，采取超声导波开展初步排查工作，针对所存在的异常信号进行常规测厚以及超声相控阵检查。在消防水系统运行过程中，相关人员定期巡视检查消防水系统管道，当监测到腐蚀减薄、强度下降之后，应当组织专业的技术人员对管道进行维修。如若出现了穿孔、泄漏、断裂这类异常情况，应当严格按照既定的应急处理方案中要求进行处理，以此来确保消防水系统的正常运行。同时还要根据消防水系统管道设计文件中的要求，提前组织好一定数量的焊接人员，选择适当的焊接工艺，并做好备件采购工作，以此来确保出现突发现象时及时进行维修或更换。

埋地布置方式调整。针对埋地管道可能出现的腐蚀情况，一是尽可能减少埋地管道布置，将埋地管道改为地面管道或者管廊内管道；二是对必须埋地布置的管道，应当根据具体排流需求来明确管道阳极组的具体位置、不需要均匀分布，而在杂散电流较为强烈的区域则应当采取单支分裂方式[4]。哪怕在杂散电流较弱的区域，考虑到未来可能的变化，在条件允许的情况下每组也不宜超过2支。

水质改善。对核电厂消防水系统管道中的水质进行适当的改善，最大化地降低其对管道的腐蚀性，主要采取原水、生活用水水源改为除盐水水源，消防水池水质监测与更换，消防水池表面材料升级、定期排放管道里的污水，冲洗管道杂质，定期试验时延长放水时间等方式来改善消防水水质，以提升核电厂消防水系统管道腐蚀管理效果。

4 结语

核电厂消防水系统管道很容易出现腐蚀问题，如若未能及时采取措施进行处理，那么就会严重影响消防水系统的正常运行。因此技术人员要明确核电厂消防水系统管道常见的腐蚀情况，有针对性地选择合理的检测与管理方式，这样才能够最大化地降低管道腐蚀所带来的不利影响，为核电厂安全稳定运行创造消防安全条件。