采用鍍鋅碳鋼作為廠房通風(fēng)風(fēng)管材料時(shí)，局部區(qū)域會(huì)發(fā)生優(yōu)先腐蝕，從而導(dǎo)致風(fēng)管失效，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查并進(jìn)行分析，研究表明局部區(qū)域氣壓變化導(dǎo)致空氣中水分在局部區(qū)域凝結(jié)，空氣中氯離子在凝結(jié)水中聚集，導(dǎo)致局部腐蝕速度遠(yuǎn)大于一般大氣腐蝕速度。可以通過在局部有凝結(jié)水區(qū)域采用耐蝕性更好的材料代替鍍鋅碳鋼以延長(zhǎng)風(fēng)管整體壽命。

0　前言

核電站通風(fēng)系統(tǒng)主要功能是為各廠房通風(fēng)散熱，由風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)的風(fēng)機(jī)及分布在廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)管道組成，國(guó)內(nèi)某核電站通風(fēng)管道采用鍍鋅鋼板，隨著服役年限延長(zhǎng)部分區(qū)域出現(xiàn)腐蝕情況，且由于腐蝕及設(shè)計(jì)不足多次出現(xiàn)脫落問題，該系統(tǒng)雖與核安全無(wú)關(guān)，但腐蝕脫落會(huì)帶來(lái)工業(yè)安全問題，因此有必要對(duì)風(fēng)管腐蝕特點(diǎn)、原因進(jìn)行分析并給出解決方案，同時(shí)匯總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足問題及應(yīng)對(duì)措施，可為現(xiàn)役電站糾正維修及新建電站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指引。

1　腐蝕特征與原因分析

1.1 通風(fēng)管道中風(fēng)管腐蝕特征調(diào)查

從電站維修管理系統(tǒng)中查閱歷史風(fēng)管腐蝕相關(guān)事件，對(duì)腐蝕部位類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要包括六類：風(fēng)門前后(相連風(fēng)管、鉚釘、風(fēng)門)、風(fēng)管轉(zhuǎn)向位置(彎頭、導(dǎo)風(fēng)裝置)、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)管、風(fēng)門本體及內(nèi)部組件、過濾器前后，各腐蝕類型在調(diào)查的兩座核電站主要分布情況如圖1所示，該結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致，其中風(fēng)機(jī)出口、風(fēng)門及前后風(fēng)管、風(fēng)管改變方向(靠近風(fēng)機(jī)出口)位置是最主要的腐蝕失效部位。

圖1　歷史腐蝕部位分類分布圖

1.2　腐蝕原因分析

鋅在室外海洋大氣環(huán)境中均勻腐蝕速率約為0.5～8μm/年，與碳鋼材料相比，在大多數(shù)環(huán)境中鍍鋅層腐蝕速度平均比碳鋼低22倍，且均大于10倍，因此選擇鍍鋅層作為風(fēng)管材料防腐層的設(shè)計(jì)是合理的。然而現(xiàn)場(chǎng)的鍍鋅層卻在局部位置快速腐蝕，導(dǎo)致風(fēng)管腐蝕不可用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)管腐蝕調(diào)查結(jié)果，風(fēng)機(jī)出口、風(fēng)門及前后風(fēng)管、風(fēng)管改變方向(靠近風(fēng)機(jī)出口)位置是腐蝕敏感部位，這些位置的共同點(diǎn)主要表現(xiàn)在該區(qū)域氣體壓力發(fā)生明顯變化，風(fēng)機(jī)出口由于風(fēng)機(jī)提供動(dòng)能導(dǎo)致風(fēng)壓升高，風(fēng)管轉(zhuǎn)向位置、風(fēng)門等有阻擋作用位置，風(fēng)在風(fēng)門表面、風(fēng)管轉(zhuǎn)向位置由于阻擋作用風(fēng)速降低，根據(jù)流體能量守恒，流體動(dòng)能降低時(shí)其靜壓能升高，即此位置均存在風(fēng)壓力升高，導(dǎo)致空氣中的水蒸汽分壓升高，當(dāng)水蒸汽分壓超過形成凝結(jié)水，而空氣中氯離子溶解于水中形成侵蝕性環(huán)境。鋅在含有氯離子的水溶液介質(zhì)中典型腐蝕速度為20～70μm/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境中十倍以上，而風(fēng)管鍍鋅層厚度僅20μm，將在短時(shí)間內(nèi)消耗，無(wú)法起到保護(hù)作用。

凝結(jié)水在上述位置產(chǎn)生的原因如下：

風(fēng)壓由空氣分壓和水蒸氣分壓組成，即：

Pwind

o=PAiro+PWatero

此溫度下水對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓為Pt1,Water;

此時(shí)濕度為：ηt1o=PWatero/ Pt1,Water;

當(dāng)風(fēng)壓升高時(shí)Pwind=PAiro+ΔPAir+PWatero+ΔPWater;

此時(shí)濕度升高：ηt1=(PWatero+ΔPWater)/ Pt1,Water>ηo，當(dāng)超過100%時(shí)產(chǎn)生凝結(jié)水;

汽機(jī)廠房溫度高于外部，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入風(fēng)管后不斷被加熱，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度下水飽和蒸汽壓升高，即Pt2,水>Pt1,水;

濕度為：ηt2=(PWatero+ΔPWater)/ Pt2<ηt1，隨溫度升高不斷減小，直至不在產(chǎn)生凝結(jié)水。

依據(jù)上述分析，水凝結(jié)將發(fā)生在風(fēng)機(jī)出口、風(fēng)門前后、風(fēng)向改變位置，隨風(fēng)管深入汽機(jī)廠房越遠(yuǎn)，凝結(jié)水/腐蝕發(fā)生頻率、嚴(yán)重程度降低，與現(xiàn)場(chǎng)觀察到結(jié)果完全一致。

1.3　腐蝕模式

通風(fēng)管道中風(fēng)管中輸送的介質(zhì)是來(lái)自于室外的高濕度、高鹽份的空氣，同時(shí)局部存在上述描述的凝結(jié)水環(huán)境，風(fēng)管材料在這些環(huán)境中主要表現(xiàn)為陰極吸氧去極化控制的電化學(xué)腐蝕，腐蝕形式上有均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕。

鍍鋅層在大氣環(huán)境和凝結(jié)水中表現(xiàn)為均勻腐蝕，但在有凝結(jié)水環(huán)境腐蝕速度顯著增大，因此現(xiàn)場(chǎng)易產(chǎn)生凝結(jié)水的位置鍍鋅層很快消耗完，碳鋼開始腐蝕，如圖2所示。當(dāng)鍍鋅層消耗至出現(xiàn)局部基體鐵裸露時(shí)，碳鋼與鍍鋅層出現(xiàn)電偶腐蝕。在風(fēng)管材料連接部位，采用搭接方式錨固，從而有縫隙存在，當(dāng)處于干燥環(huán)境時(shí)，空氣中氯離子及濕氣并不容易進(jìn)入縫隙，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，但當(dāng)存在凝結(jié)水時(shí)，含氯離子的凝結(jié)水進(jìn)入縫隙，促進(jìn)了縫隙腐蝕發(fā)生，其腐蝕速度遠(yuǎn)大于均勻腐蝕，如圖3所示。

圖2　鍍鋅碳鋼風(fēng)管均勻腐蝕

圖3　風(fēng)管搭接位置縫隙腐蝕

風(fēng)管材料之間通過鉚接方式連接，所采用的鉚釘材質(zhì)為工業(yè)純鋁，當(dāng)鍍鋅層在風(fēng)管制作過程中破損或因腐蝕消耗完時(shí)，鉚釘會(huì)與鐵基體發(fā)生電偶腐蝕，如圖4所示，且在有凝結(jié)水環(huán)境時(shí)電偶腐蝕效應(yīng)會(huì)加劇，使得鉚釘被迅速消耗，從而導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足，連接構(gòu)件脫落，如風(fēng)門脫落，風(fēng)管連接部位脫落等現(xiàn)象發(fā)生，是腐蝕掉落的主要原因之一。

圖4　鉚釘腐蝕

2　結(jié)論

通風(fēng)管道中風(fēng)管發(fā)生腐蝕而提前失效主要原因來(lái)自于凝結(jié)水的產(chǎn)生，在凝結(jié)水產(chǎn)生的風(fēng)管段原有的鍍鋅碳鋼已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，因此在這些部位建議采取加強(qiáng)防腐措施，可考慮更換材質(zhì)有316L不銹鋼或玻璃纖維增強(qiáng)聚合物風(fēng)管。

如使用316L不銹鋼作為風(fēng)管材料，凡焊接、機(jī)械加工位置都建議做鈍化處理，如不進(jìn)行酸洗鈍化處理，不銹鋼材質(zhì)風(fēng)管部位焊接區(qū)域仍存在腐蝕。玻璃纖維增強(qiáng)聚合物風(fēng)管防腐效果優(yōu)良，質(zhì)量較輕，推薦在凝結(jié)水產(chǎn)生區(qū)域使用，從現(xiàn)場(chǎng)酸堿環(huán)境原本使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物風(fēng)管區(qū)域看，基本無(wú)腐蝕問題，且后期維護(hù)工作少。