核电站面临的腐蚀问题及对策（苏州院刘飞华） - 图文

我国核电站面临的腐蚀问题及对策

刘飞华，任爱，费克勋，杨帆

1 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

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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

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46#贯穿1#贯穿件 件

图2 美国STP-1 RPV底部仪表管贯穿件处发现了硼结晶

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；

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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；

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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。

1.3 海水环境

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

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。