核电厂不锈钢废水管道泄漏原因分析及解决措施

杨 添 唐耀波 官益豪 熊 壮

（三门核电有限公司，浙江 三门 317112）

0 引言

核电厂海废水管道主要功能是为循环水系统、开式循环水系统等海水相关系统的废水通过排水泵排放进入虹吸井。一般情况下，核电厂废水排水泵位于常规岛，废水从排水泵排出后通过管廊后进入虹吸井。管廊内通常会布置多种管道和部分电气设备，管线一旦发生泄漏，喷出的海水可能会影响漏点附近的其他管道和电气设备正常运行，存在安全隐患。

国内某核电厂管廊中的海废水管道长达200～300m，在电厂运行6年内发现高达45处泄漏问题，泄漏情况如图1所示。2台机组海废水母管设计材质为316L不锈钢，支管设计材质为304L不锈钢，接头为焊接方式连接，内壁无防腐措施。

图1 海废水管道腐蚀穿孔

本文就海废水管道泄漏原因进行了分析，对新建、在建核电厂海废水管道设计、施工给出了建议。

1 海废水管道泄漏原因分析

1.1 材料分析

采用便携式合金分析仪对管道进行光谱分析，成分如表1所示。管道材质符合022Cr19Ni10（304L）或022Cr17Ni12Mo2（316L）不锈钢的合金成分组成。

表1 材质化学成分分析结果

表2为国内其他核电厂海水介质管道材料使用情况。从表2中可以看出，大口径的海水循环管道主要使用碳钢+涂层+阴极保护（部分）或超级奥氏体不锈钢，大口径管道可定期进入内部进行检查和处理；而反冲洗管道（小口径）由于内部无法进入而检查，主要使用不锈钢材料或碳钢衬塑，使用的最低等级不锈钢为316L，未发现有使用304L不锈钢的情况。

表2 其他核电厂海水管道用材

1.2 介质分析

海废水管道内部介质为海水，水质情况如表3所示。从表中3可以看出，介质中含有较多的Cl-，其中Cl-会破坏不锈钢材料表面的钝化膜，从而引起不锈钢发生腐蚀[1,2]。

表3 海废水管道介质

1.3 泄漏原因分析

不锈钢在海水介质中发生腐蚀穿孔的主要机理为点蚀。点蚀即小孔腐蚀或孔蚀，它是点状的腐蚀，且从金属表面向内扩展，形成腐蚀坑。这种腐蚀的危害性在于材料在均匀腐蚀不明显的情况下腐蚀穿孔。卤族元素Cl-对不锈钢钝化膜具有很强的破坏能力，因此不锈钢在含有大量Cl-的海水中易发生点蚀[3]。

点蚀原理为在钝化膜的破坏点出现被广大阴极区包围的微阳极，在微阳极内，金属快速溶解形成金属离子，相应的Cl-增加，高浓度金属氯化物水解又使蚀孔内阳极液的pH值下降，进一步提高金属的溶解速率。这一自催化过程使点蚀迅速向内纵深发展形成蚀孔，点蚀原理示意图如图2所示，现场腐蚀形貌与该图类似，这种腐蚀形貌在海水环境中极易出现。

图2 不锈钢点蚀示意图及现场腐蚀形貌

不锈钢的耐点蚀性能与不锈钢的化学成分密切相关，经过不锈钢腐蚀研究工作者的长期工作，已经建立耐点蚀性能和化学成分的关系式，称为耐点蚀当量（PRE，Pitting Resistance Equivalent）[3]，其中最常用的公式为：

式中化学元素 Cr%，Mo%，N%表示其百分含量。

3 1 6 L和3 0 4 L不 锈 钢 相 比，3 0 4 L耐 点 蚀 当量（PRE）为18.0～20.0，316L耐腐蚀当量为22.6～27.9，316L耐点蚀性能更好，计算结果如表4所示。在Cl-环境中，304L不锈钢具有低的点蚀电位，点蚀的可能性大，304L不锈钢在中性溶液中发生腐蚀的临界Cl-浓度约为200ppm[4]，常温下建议304L不锈钢在含氯离子含量小于100ppm的环境中使用，现场取样检测出管道内实际浓度为938ppm，远超适用范围，因此支管母材选用不合适是导致支管母材发生泄漏的主要原因。

表4 阀瓣和螺栓点蚀当量计算

同时，大部分泄漏部位位于焊缝附近或焊缝本体，管道焊接过程中受焊接热循环的影响，焊缝热影响区金相组织变化较大，可能造成晶粒粗大，分布不均，夹杂物含量增加，出现贫Cr区。且由于管道内介质长期不流通，杂质在底部沉积，在局部形成电位差，加上Cl-对表面钝化膜的破坏作用，导致管道底部焊缝区域为腐蚀敏感区。由此可知，焊接过程导致材料耐腐蚀性能下降，促进了腐蚀穿孔的发生。

由于腐蚀环境和腐蚀条件同时存在，母管母材在高浓度的氯离子环境中，且管道底部存在复杂的杂质沉积层，在多方面因素共同作用下，不锈钢钝化膜被氯离子破坏，引起点蚀发生，最终导致管道发生泄漏。

2 解决措施及建议

2.1 连接方式变更

由于大部分泄漏部位位于焊缝，因此，针对多次泄漏的焊缝部位，可进行连接方式变更，焊接连接方式改为法兰连接，可有效避免因焊接导致的泄漏。

2.2 材料替代

根据调研，其他核电厂使用碳钢衬塑和双相不锈钢均取得了良好的效果，但碳钢衬塑造价远低于双相不锈钢，因此，推荐使用碳钢衬塑管道替换304L不锈钢管道。

2.3 添加缓蚀剂

针对不锈钢点蚀，通常而言最简便、最经济的方法是添加缓蚀剂，在排水泵入口添加缓蚀剂可有效抑制不锈钢的点蚀[5,6]。不锈钢缓蚀剂种类很多，通常分为有机缓蚀剂、无机缓蚀剂和混合型缓蚀剂。不同类型的缓蚀剂适用不同的工况条件，具体选用何种缓蚀剂需要进一步论证。

3 结语

虽然海废水管道是核电厂的辅助设备，不影响核安全，但其涉及的点蚀问题可发生在海水冷却管道，对核电厂海水管道和设备的腐蚀设计、施工和防腐管理具有重要的参考意义。