核电站面临的腐蚀问题及对策(苏州院刘飞华)

我国核电站面临的腐蚀问题及对策刘飞华1，任爱1，费克勋1，杨帆21 苏州热工研究院，2 大亚湾核电站运营有限责任公司摘要：本文从核电站设备和结构所处环境的角度综述了核电站面临的腐蚀问题，以及这些腐蚀问题对核电站安全运行造成的影响，并提出了宏观解决这些腐蚀问题的策略。

关键词：核电站腐蚀安全核电站由于其环境条件、运行工况的特殊行，对设备和结构的安全性和可靠性提出了更高的要求。

腐蚀作为材料失效的三大模式（断裂、磨损和腐蚀）之一，同样也是核电站设备和结构失效的主要模式。

从国内外核电站的运行经验和相关的报道来看，腐蚀不仅使与海水、酸碱盐等腐蚀性介质接触的常规设备的正常运行造成了严重的影响，同样也使核安全屏障相关部件，特别是那些在核电站整个寿期内不能更换的部件（反应堆压力容器和安全壳）的完整性遭受到破坏，使核安全受到了威胁。

美国Davis-Besse事件以来，腐蚀对核电站的影响在世界范围内引起了更加高度的关注。

1．核电站面临的腐蚀问题及经验反馈大部分核电站都是利用工艺水来传递热量，利用海水作为核电站最终的冷却源，为了能满足工艺的要求，还需要利用很多化学物质来进行水处理，核电站面临各种各样的腐蚀环境。

下面将从核电站设备面临的各种不同腐蚀性环境来讨论核电站的腐蚀问题。

1.1 一回路高温高压硼酸水环境压水堆核电站（PWR）一回路包含了核电站最重要的设备，有反应堆压力容器（RPV）、蒸汽发生器、稳压器、堆内构件、一回路管道、主泵等。

这些设备的可靠性关系到整个核电站的安全和运行，例如包容燃料堆芯、维持一回路压力边界、冷却对芯、防止放射性物质泄漏。

现今PWR核电站的设计寿命一般为40年，在这40年的寿期中，反应堆压力容器和安全壳是不能更换的，如果它们损坏就意味着核电站的关闭；蒸汽发生器、主泵、稳压器、一回路管道虽然能够更换，但更换所需的时间长，维修费用大。

从过去的运行经验看，蒸汽发生器传热管的腐蚀破坏和一回路存在600合金的部件的一回路水应力腐蚀开裂（PWSCC）是困扰核电站安全运行的首要问题。

当然其它部件的硼酸腐蚀、辐照引起的应力腐蚀开裂（IASCC）、晶间腐蚀、耗蚀等腐蚀问题也值得关注。

涉及的材料主要有：600合金、690合金、181/82合金、300系列不锈钢、低合金钢和碳钢。

主要的经验反馈：▪全世界范围内采用600合金作传热管的蒸汽发生器由于一回路侧、二回路侧的应力腐蚀开裂问题，大部分不得不整体更换蒸汽发生器。

由于蒸汽发生器更换所需要的工期长，维修代价非常大；▪1991年法国Burry-3核电站十年安全评审对一回路进行水压试验时发现控制棒驱动机构（CRDM）贯穿件有应力腐蚀开裂，并且有泄漏。

这是最早发现CRDM贯穿件存在应力腐蚀开裂，此后，许多国家都加强了对该部位的检查，法国发现类似的事件最多，这可能也是法国电力公司（EDF）决定更换其所有600合金的反应堆压力容器顶盖的原因；▪2002年美国Davis Besse核电站发现反应堆压力容器顶盖3#管嘴附近的大盖本体金属被硼酸腐蚀了一个大洞，这部分压力边界仅剩下1cm厚的不锈钢内衬层，并且在内衬层上也发现了裂纹，腐蚀后的形貌见图1；▪美国STP-1反应堆压力容器反应堆压力容器底部仪表管贯穿件出现硼酸泄漏，见图2，由于此部位在整个寿期内都不能更换，在维修时留下一间隙使硼酸溶液直接与压力容器的基体接触，存在很大的风险。

大亚湾核电站此部位的材料也是600合金，同样存在风险；(a) (b)图2 Davis-Besse核电站RPV顶盖背硼酸腐蚀(a)顶盖腐蚀后的截面图，(b)顶盖腐蚀后洞照片▪ 美国V C Summer 核电站一回路主管道开裂导致大量硼酸泄漏的事件，主要是异种金属焊接的PWSCC ，材料是低合金钢/镍基合金焊缝金属/不锈钢的组合；▪日本Tsuruga-2稳压器上部仪表管贯穿件应力腐蚀开裂； ▪国内某核电站的反应堆压力容器顶盖仪表贯穿件泄漏； ▪ 国内核电站的蒸汽发生器也有堵管。

1.2 二回路高温汽水环境二回路高温汽水环境下主要发生管道的流体加速腐蚀（FAC ）和汽轮机的冲蚀(Erosion)，它们都属于冲蚀－腐蚀(Erosion-Corrosion)。

FAC 不仅可以发生在双相流中，也可以发生在单相流中，这主要取决于下列因素的综合：管道材料的化学成分（主要是铬含量）、管道的几何形状、流体的流速和流体的水化学。

就压水堆核电站而言，容易遭受FAC 的系统如图3所示，主要是二回路一些疏水系统。

主要的经验反馈有：▪1986年法国Surry-2核电站一弯头遭受FAC 而破裂，导致4人死亡； ▪ 国内某核电站的汽水分离再热系统、高压加热系统和给水除氧系统的抽汽疏水管线多次发生腐蚀穿孔；46#贯穿件 1#贯穿件 图2 美国STP-1 RPV 底部仪表管贯穿件处发现了硼结晶单相流双相流图3 核电站常规岛中容易遭受FAC的系统，图中为红色和紫色所示的区域▪国内某核电站的除氧器多次发现裂纹、腐蚀孔等腐蚀现象；▪国内某核电站的高压缸、低压缸叶片发生过冲蚀；▪国内某核电站汽水分离再热器由于腐蚀导致泄漏；▪2004年日本美滨核电厂发生管道腐蚀破裂导致蒸汽泄漏的事故也属于这一类腐蚀，图4是管道破裂后的形貌。

图4 日本美滨核电站管道发生FAC的部位和管道内表面的形貌1.3 海水环境由于海水是高腐蚀性介质，有可能发生的腐蚀模式有均匀腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳，这主要是由于海水中高含量的氯离子对大多数腐蚀模式都有促进作用。

涉及到的系统有：海水预过滤系统、循环水系统、阴极保护系统、海水处理系统、核岛设备最终冷却系统和常规岛最终冷却系统。

需要关注的设备有：金属管道、泵、换热器、阀门、过滤器、容器等等。

国内主要经验反馈：▪凝汽器水室多次发生严重腐蚀；▪凝汽器进水管和出水管发生过海水腐蚀穿孔；▪碎石过滤器的腐蚀；▪核岛设备最终冷却系统管道腐蚀导致不满足设计要求；▪核岛设备最终冷却系统水泵腐蚀严重导致频繁检修；▪旋转滤网驱动轴轴承严重腐蚀；▪凝汽器管板、钛管多次腐蚀穿孔；▪由于海水腐蚀问题导致大量阀门更换；▪海水处理系统管道、弯头、阀门腐蚀严重；▪海水换热器及其连接管线发生过严重腐蚀。

1.4 其它腐蚀性环境在核电站还有其它的腐蚀性环境，例如水处理过程中用到的酸、碱和盐大部分是强腐蚀性介质，例如盐酸、次氯酸、三氯化铁溶液、氢氧化钠等等，这些物质的储存、分配对应系统的腐蚀风险也相对大，充分考虑这些风险并采取合适的预防措施是非常必要的，其中设备部件材料选用正确与否是其中一个非常重要的因素。

另外，在除盐除氧水环境下，由于材料、结构的原因带来的电化学腐蚀问题同样值得关注。

而且，除盐除氧水系统中如果使用了含铜、含铅等元素的材料，这些元素会在系统中溶解并有可能在换热器或蒸汽发生器中沉积，并有可能导致应力腐蚀开裂。

除盐除氧水系统中由于一些意外的材料因素（例如涂料）也可能导致系统中其它有害杂质离子的升高也值得关注。

到目前为止，我国核电站都是沿海布局，沿海海洋性大气中由于含有较多的海盐粒子，对核电站户外设备的腐蚀影响较大。

我国某核电站就曾经发生过换料水箱的地脚螺栓由于户外布置而发生了严重的腐蚀导致不能满足设备抗地震的设计要求，而且该设备是核安全重点设备。

2. 腐蚀对核电站安全运行的影响腐蚀给核电站安全运行带来的危害可以从三个方面来考：首先是腐蚀使核电站一回路、二回路或其它设备的完整性遭到破坏，其次是腐蚀产物在回路的发热部位沉积，还有是腐蚀产物受放射线辐照而活化，变成放射性核素。

2.1 腐蚀使一回路、二回路或设备完整性遭到破坏在现代核电站中，一般都有三道核安全屏障，它们是核燃料包壳、一回路压力边界和安全壳，但是腐蚀对它们的完整性都能产生影响，其中腐蚀能使第一、第二道屏障直接破坏，对安全壳钢内衬也有影响。

如燃料元件包壳锆合金的应力腐蚀开裂和高温水腐蚀能使它破损，它的破损会使裂变产物泄漏到一回路，增加一回路冷却剂的放射性；一回路压力边界镍基合金、不锈钢和低合金钢的一回路水应力腐蚀开裂（PWSCC）、硼酸腐蚀、辐照应力腐蚀开裂等等都能使其完整性遭到破坏，致使一回路放射性水泄漏，而蒸汽发生器传热管的破裂则使带放射性的冷却水漏入二回路，污染二次侧水，并有可能最终带入环境。

除了核安全屏障外，其它设备的腐蚀损坏同样对核电站的安全运行造成影响，特别是公众形象。

例如二回路高能设备的腐蚀，象汽轮机的冲蚀，二回路管道的流体加速腐蚀（FAC），这些设备如果腐蚀程度很深的话往往会造成设备的严重损坏或人员伤亡。

最近日本美滨核电站二回路给水管线的破裂大量蒸汽外喷导致5人死亡，十几人受伤的事件，就是由于二回路管道的流体加速腐蚀造成的。

该事件虽然与核安全无关，但是对核电站在公众中的形象还是造成了很大的损害。

另外，冷凝器传热管因腐蚀穿孔泄漏，循环冷却水进入二回路，使二回路水质严重超标，不但影响二回路设备腐蚀速率增加，更重要的是蒸汽发生器的杂质积累变得更加严重。

除了上面讨论的这些设备外，其它设备如与海水接触的循环冷却水系统、大型的储存灌等压力容器、酸碱盐设备等的腐蚀都给核电站的安全运行带来影响。

2.2 腐蚀产物带来的不良影响腐蚀产物带来的不良影响主要有两种：一种影响是水中腐蚀产物将沉积在回路的发热部位，如一回路燃料元件棒表面、二回路蒸汽发生器二次侧传热管束表面，会导致热传导不良，积垢部位过热而损坏，而这些部位则是核电站中非常敏感的设备。

另外一种影响是一回路腐蚀产物因受放射性辐照而活化，变成放射性核素，粘附在设备的内表面非常难以清除，最常见的是钴元素。

这给这些设备的维修带来很大的麻烦，大大增加维修人员吸收的剂量。

3. 核电站腐蚀问题的对策核电站的腐蚀问题随着电站运行年限的增长，会暴露得越来越多，问题也会越来越突出。

为了消除或减缓这些潜在的风险，有的电厂已经考虑到了材料的替代方案，例如用690合金替代600合金，用52/152合金替代82/182合金做焊缝填充金属，用更加耐腐蚀的材料在海水环境中使用等等。

但是这些措施仍然不能全面解决核电站的腐蚀问题。

要防止这些腐蚀问题对核电站安全运行造成挑战的关键办法是实施核电站全寿期的腐蚀管理大纲。

同其它大型的工程一样，核电站的防腐管理也是一个系统的工程，防腐管理要从核电站设计阶段就开始，然后是建造施工、安装调试以及运行维护进行全面综合考虑和管理。

首先，在防腐设计和选材方面更应该强调合理性，要更加强调安全性并适当增加冗余，并严格控制施工质量。

在经济上我们要考虑整个寿期的综合效益，绝不能单纯的强调一次性投入的多寡。

实践证明，我们常常要为一个错误的设计付出高昂的代价。

例如，国内某核电站汽机厂房钢结构防火涂料国产化时设计不合理而引起的开裂可能使其防火功能丧失，同时造成上千万元的损失；又例如某核电站除盐水储罐涂料国产化设计的失误造成运行后系统中硫酸根严重超标，直接导致大量的除盐水浪费，直接经济损失至少在千万元以上。