核電廠用結(jié)構(gòu)模塊雙相不銹鋼銹蝕分析

何龍飛+羅學(xué)明

摘 要：第三代壓水堆核電機(jī)組結(jié)構(gòu)模塊大量使用A240 S32101雙向不銹鋼，但由于施工作業(yè)周期長，結(jié)構(gòu)模塊在海洋大氣環(huán)境下露天存放較長時(shí)間，從而導(dǎo)致雙相不銹鋼出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，本文通過分析施工與設(shè)計(jì)、環(huán)境因素提出了一些改善措施，為后續(xù)設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模塊；雙休不銹鋼；銹蝕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.147

1 前言

第三代壓水堆核電技術(shù)是采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)的兩環(huán)路壓水堆機(jī)組，機(jī)組毛功率約為1500MWe，具有先進(jìn)的非能動(dòng)安全系統(tǒng)。第三代壓水堆核電技術(shù)安全系統(tǒng)采用加壓氣體、重力、自然循環(huán)以及對流等自然驅(qū)動(dòng)力，而不使用泵、風(fēng)機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)等能動(dòng)部件，并且可在沒有安全交流電源、設(shè)備冷卻水、廠用水及供熱、通風(fēng)與空調(diào)等支持系統(tǒng)的條件下實(shí)施安全功能。第三代壓水堆核電機(jī)組在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面采用“減法”，減少了部件數(shù)量、降低了相關(guān)維修要求工作量，并且提高了可運(yùn)行性；另外，采用“模塊化”設(shè)計(jì)，減少了現(xiàn)場施工組裝的工作量從而盡可能縮短建造工期和降低總造價(jià)，提供機(jī)組市場競爭性。第三代壓水堆核電機(jī)組結(jié)構(gòu)模塊主要材料為碳鋼與A240 S32101雙相不銹鋼，其中有的結(jié)構(gòu)模塊由雙相不銹鋼焊接而成（如CA03）、有的結(jié)構(gòu)模塊由碳鋼與雙相不銹鋼焊接而成（CA01、CA20等），由于該類結(jié)構(gòu)模塊外形尺寸較大，均需在露天環(huán)境下進(jìn)行組對、拼裝，并且施工作業(yè)周期較長，而致使其在海洋大氣環(huán)境下存放較長時(shí)間，從而導(dǎo)致碳鋼、雙相不銹鋼出現(xiàn)局部污染、銹蝕。本文針對第三代壓水堆核電機(jī)組施工現(xiàn)場所使用的A240 S32101雙相不銹鋼銹蝕原因進(jìn)行分析，并試圖尋找一些保護(hù)措施以改善施工現(xiàn)場雙相不銹鋼的銹蝕情況。

2 A240 S32101雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是指鐵素體（γ）與奧氏體（α）各占約50%的不銹鋼（其中較少相的含量最少不低于30%）。在含C較低的情況下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%，有些雙相不銹鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，是一種節(jié)鎳不銹鋼，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于雙相不銹鋼的這些優(yōu)異特性，使其作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、輸油輸氣管線等工業(yè)和工程領(lǐng)域，近年來逐漸應(yīng)用于第三代壓水堆核電機(jī)組工程建設(shè)當(dāng)中，具有較為廣闊的發(fā)展前景。

3 A240 S32101雙相不銹鋼銹蝕原因分析

（1）施工與設(shè)計(jì)。由于第三代壓水堆核電機(jī)組采用模塊化施工技術(shù)，大量結(jié)構(gòu)件子模塊在預(yù)制車間制作完成后，還須在施工現(xiàn)場經(jīng)過拼裝、焊接、打磨等作業(yè)。由于施工作業(yè)過程中的打磨、焊接所產(chǎn)生的高溫破壞了雙相不銹鋼表面的鈍化膜而造成雙相不銹鋼耐銹蝕的特性退化，并且使得雙相不銹鋼發(fā)生高溫氧化；另外，由于結(jié)構(gòu)模塊由碳鋼與雙相不銹鋼共同組合而成，且結(jié)構(gòu)模塊長期存放于露天環(huán)境下，在海洋大氣的作用下碳鋼部分極易產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致臨近的雙休不銹鋼受到污染而產(chǎn)生局部銹蝕。

（2）環(huán)境因素——大氣腐蝕。由于所處環(huán)境為海洋大氣環(huán)境，空氣中所含的濕度、氯離子濃度較高，而雙相不銹鋼的鈍化膜在含有氯離子的水溶液中極易發(fā)生溶解。該反應(yīng)的化學(xué)分析如下：由于氯離子可以優(yōu)先地、有選擇地吸附在雙相不銹鋼的鈍化膜上，把氧原子排擠出去，然后與雙相不銹鋼的鈍化膜中的陽離子結(jié)合形成可溶性氯化物，導(dǎo)致基底金屬上生成孔徑為20μm～30μm的小蝕坑，這些小蝕坑即為孔蝕核，在氧化劑的作用下促使孔蝕核逐步增大，使得金屬的腐蝕電位上升。由于蝕孔內(nèi)的金屬表面處于活化狀態(tài)，蝕孔外的金屬表面處于鈍化狀態(tài)，此時(shí)，便形成了鈍態(tài)微電偶腐蝕電池。由于陰、陽兩極彼此分離，腐蝕產(chǎn)物將在孔口形成?？變?nèi)介質(zhì)相對于孔外介質(zhì)呈滯流狀態(tài)，溶解的金屬陽離子不易往外擴(kuò)散，溶解氧也不易擴(kuò)散進(jìn)來。由于孔內(nèi)金屬陽離子濃度增加，氯離子遷入以維持電中性，這樣就使孔內(nèi)形成金屬氯化物的濃溶液，這種濃溶液可使孔內(nèi)金屬表面繼續(xù)維持活化狀態(tài)。另外，由于氯化物水解的結(jié)果，孔內(nèi)介質(zhì)酸度增加，使陽極溶解加快，蝕孔進(jìn)一步發(fā)展，孔口介質(zhì)的pH值逐漸升高，水中的可溶性鹽將轉(zhuǎn)化為沉淀物，結(jié)果銹層、垢層一起在孔口沉積形成一個(gè)閉塞電池。閉塞電池形成后，孔內(nèi)、外物質(zhì)交換更加困難，孔內(nèi)金屬氯化物更加濃縮，氯化物水解使介質(zhì)酸度進(jìn)一步增加，酸度的增加將使陽極溶解速度進(jìn)一步加快，蝕孔的高速度深化，甚至可將金屬斷面蝕穿。

4 改善措施

4.1 施工與設(shè)計(jì)

（1）在結(jié)構(gòu)模塊拼裝施工作業(yè)過程中采取必要措施，避免切割、打磨等飛濺物污染雙相不銹鋼表面，從而減少觸發(fā)銹蝕發(fā)生的概率。

（2）加強(qiáng)施工過程管理力度與日常檢查頻次，發(fā)現(xiàn)雙相不銹鋼出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)場及時(shí)采取相應(yīng)處理措施，降低銹蝕的進(jìn)一步擴(kuò)散。

4.2 環(huán)境條件

（1）降低空氣濕度。濕度是決定大氣腐蝕類型和速度的基本因素。當(dāng)空氣濕度達(dá)到100%時(shí)，水蒸氣就會(huì)從空氣中凝結(jié)而出，沉積在金屬表面形成水膜，其厚度一般在20～300μm；當(dāng)有雨水或水沫濺落在金屬表面時(shí)，水膜厚度可達(dá)1mm。金屬表面的水膜并不是純凈的水，其中溶解多種氣體、固體物質(zhì)（如二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氯化鈉等），形成電解質(zhì)溶液。

（2）控制溫度。平均氣溫高的地區(qū)腐蝕較為嚴(yán)重，氣溫的變化導(dǎo)致的溫差（晝夜溫差、室內(nèi)外溫差）使其表面結(jié)露，加速腐蝕的作用。

（3）控制鹽粒。鹽粒溶解于金屬表面水膜，增加吸濕性和導(dǎo)電性，并且氯離子具有較強(qiáng)的腐蝕性。海洋大氣環(huán)境中含有較多的鹽粒。

（4）降低煙塵。煙塵落在金屬表面能夠吸附腐蝕性物質(zhì)（如碳粒），或者在金屬表面上形成縫隙，增加水汽凝聚（如硅質(zhì)顆粒）。

4.3 防銹措施

（1）暫時(shí)性防銹水。以水為基體，加入一定量的水溶性緩蝕劑組成，在金屬表面形成阻擋層，從而起到抑制金屬腐蝕的作用，在使用時(shí)可以順利地將防銹材料去除而不影響其正常使用。

（2）防銹塑料。以塑料為主體的成膜防銹材料。塑料薄膜將金屬與腐蝕環(huán)境隔離，并從塑料膜層中揮發(fā)或滲透防銹劑到金屬表面達(dá)到完全防銹的目的。溶劑型可剝性塑料主要由溶劑、成膜物質(zhì)（母體材料）、輔助成膜材料（樹脂）及增塑劑、穩(wěn)定劑、緩蝕劑等組成，溶劑的選擇需使成魔物質(zhì)在溶劑中的溶解度和溶劑的揮發(fā)速度很好配合。溶劑型可剝性塑料可采用浸泡、噴涂或涂刷方法涂覆，其優(yōu)點(diǎn)是操作干凈、啟封方便、防銹期長，并且剝離后的塑料可重新回收再次利用。

5 結(jié)束語

雙向不銹鋼作為一種性能全面、優(yōu)良的工程材料已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文通過對第三代壓水堆核電機(jī)組結(jié)構(gòu)模塊雙向不銹鋼銹蝕進(jìn)行分析，找出影響雙向不銹鋼銹蝕的主要因素，為在后續(xù)的施工與設(shè)計(jì)中采取必要的措施對施工現(xiàn)場進(jìn)行完善，降低雙向不銹鋼的銹蝕速度，為后續(xù)合理的設(shè)計(jì)、施工提供一定的依據(jù)與參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔敏，余祖孝，陳琳.金屬腐蝕理論及腐蝕控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]李志軍，陳湘茹，孫卿卿，張文竹，翟啟杰，王玉柱.雙向不銹鋼的研究與發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2011，32（09）：1320-1323.

[3]喬園園.2205雙向不銹鋼腐蝕性能的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

[4]王剛，郭幼丹，郭雷，余思騫，吳亞平.雙向不銹鋼的發(fā)展、特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2015（07）：91-92.

[5]李長龍，沈菲.LNG項(xiàng)目雙向不銹鋼鋼管線的長效防腐設(shè)計(jì)與施工[J].涂料工業(yè)，2015，45（02），69-72.

作者簡介：何龍飛（1989-），男，陜西興平人，碩士研究生，助理工程師，主要從事核電項(xiàng)目施工管理工作。endprint