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(蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

安全殼鋼襯里是防止核泄漏的第三道安全屏障，根據(jù)設(shè)計要求，鋼襯里需在事故工況下保持密封性、完整性，從而保證放射性物質(zhì)在事故工況下不釋放至大氣中。鋼襯里由底板、截椎體、圓柱形筒壁和穹頂組成，工程建設(shè)期間鋼襯里必需經(jīng)過目視、滲透、射線、超聲檢測等多道嚴格的檢驗，以保證安全殼鋼襯里的密封性。

國內(nèi)外經(jīng)驗反饋表明，腐蝕是鋼襯里老化的主要形式，隨著服役時間增加，安全殼鋼襯里因腐蝕導(dǎo)致老化降質(zhì)的趨勢逐漸增加，影響了安全殼結(jié)構(gòu)的整體密封性，一旦腐蝕穿孔，不僅維修難度和風(fēng)險較大，還需要進行整體或局部密封性試驗以驗證維修效果，影響大修工期，造成較大經(jīng)濟損失。本工作結(jié)合國內(nèi)外鋼襯里腐蝕事件分析了鋼襯里腐蝕的主要影響因素，并從腐蝕防護角度出發(fā)，探索有效的管理措施，以期為保證壽期內(nèi)安全殼鋼襯里整體密封性提供技術(shù)支持。

1 經(jīng)驗反饋

鋼襯里腐蝕作為安全殼老化的原因之一，一直受到國內(nèi)外核電行業(yè)的重點觀注。美國和法國在鋼襯里腐蝕方面已進行了大量研究，NRC(美國核管會)多次發(fā)布信息公告[1-4]，通告美國各核電廠對于鋼襯里腐蝕應(yīng)予以重點關(guān)注，同時采取有效的管理措施，以保證壽期內(nèi)鋼襯里的整體密封性能。

通過對現(xiàn)有可查的美國各核電廠鋼襯里歷次檢測報告進行梳理與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)美國核電廠曾發(fā)生了多起安全殼鋼襯里涂層劣化、防潮屏障劣化、鋼襯里內(nèi)側(cè)和外側(cè)腐蝕的事件，見表1[5-6]。

由表1可見:核電廠發(fā)生了多起涂層劣化腐蝕和鋼襯里內(nèi)側(cè)腐蝕，涂層劣化和鋼襯里內(nèi)側(cè)腐蝕較易被檢查發(fā)現(xiàn)，危害較小。

鋼襯里防潮屏障老化引起的鋼襯里腐蝕在美國各電廠發(fā)生的概率較高，腐蝕減薄程度也較嚴重，法國900MW機組和國內(nèi)某核電廠機組都曾發(fā)生過防潮屏障失效造成鋼襯里厚度嚴重減薄的事件,6 mm厚的鋼襯里減薄至僅1.5 mm[7]。

鋼襯里外側(cè)腐蝕事件較少，但是發(fā)現(xiàn)時已腐蝕較深甚至穿孔，后果非常嚴重，如表2和圖1所示[5]。由于其隱蔽性，現(xiàn)在報道的鋼襯里外側(cè)腐蝕可能只是一小部分，大部分腐蝕需清除混凝土才能發(fā)現(xiàn)。根據(jù)目前對鋼襯里腐蝕機理認知程度以及檢測、維修/更換的難易程度，對以上各種腐蝕引起的風(fēng)險進行評估，采用經(jīng)驗分析方法，判定風(fēng)險等級的高低，數(shù)值越高，風(fēng)險等級越高，后果越嚴重,見式(1)。如表3所示，防潮屏障劣化和鋼襯里外側(cè)腐蝕后果最為嚴重。

表2 美國核電廠鋼襯里腐蝕穿孔事件統(tǒng)計Tab. 2 The statistics of NPP containment liner corrosion perforation cases

風(fēng)險等級=機理認知程度+檢測難易程度+維修/更換難易程度 (1)

2 鋼襯里腐蝕機理

2.1 防潮屏障失效引起鋼襯里的腐蝕

鋼襯里防潮屏障的結(jié)構(gòu)示意見圖2，由于安全殼鋼襯里截錐體防潮屏障的保護，-3.5 m以下的鋼襯里屬于目視檢查的不可達區(qū)域。

日本曾對不涂防護層的低碳鋼進行掛片試驗,根據(jù)年平均銹蝕速率推算:在沿海地區(qū)和重工業(yè)區(qū)，鋼板在8.4～16.8 a的銹蝕深度為1 mm。美國的掛片試驗也表明：不刷涂層的鋼材暴露在大氣中8.5 a后的銹蝕深度為1 mm[8]。如果按照以上試驗結(jié)果進行保守預(yù)測，鋼襯里在涂層劣化情況下，40 a銹蝕深度可達到5 mm，尚不至于腐蝕穿孔。根據(jù)國內(nèi)某核電廠的腐蝕檢測數(shù)據(jù)[7]和D.C.Cook電廠的數(shù)據(jù)分析[6]可知，鋼襯里腐蝕速率最快可超過0.45 mm/a，可以判定伸縮縫處鋼襯里的腐蝕為局部腐蝕。主要是防潮屏障或伸縮縫填充材料的失效引起伸縮縫中濕氣聚集，造成鋼襯里材料表面涂層局部劣化，最先發(fā)生腐蝕的地方形成“大陰極、小陽極”。

圖2 安全殼截錐體鋼襯里防潮屏障示意圖Fig. 2 Schematic diagram of containment gusset moisture barrier

2.2 鋼襯里外側(cè)腐蝕

一般情況下，與鋼襯里接觸的安全殼混凝土為堿性(pH>～13)，鋼襯里表面會形成一層致密穩(wěn)定的氧化物/氫氧化物鈍化膜，有效減緩腐蝕速率(1 μm/a)，對于厚度為6 mm的鋼襯里，在運行階段,鋼襯里的腐蝕不足以對鋼襯里的完整性造成影響。經(jīng)驗反饋表明，若混凝土中存在異物，且與鋼襯里接觸，將導(dǎo)致腐蝕加速,見圖3。混凝土異物(如木頭或手套)富含低pH的水，其與鋼襯里接觸，由于電位的差異和水分子的存在，誘發(fā)鋼襯里局部腐蝕，并形成“大陰極、小陽極”，造成腐蝕加速，腐蝕速率可到達0.19～0.50 mm/a。

圖3 安全殼混凝土中異物引起鋼襯里外側(cè)腐蝕的示意圖Fig. 3 Schematic diagram of liner outside corrosion induced by foreign matter in containment concrete

進一步展開腐蝕速率分析，假設(shè)異物和周圍混凝土有相同的電阻率，且腐蝕陽極是孤立的，而陰極無限大，即假設(shè)腐蝕電流密度很小，而陰極面積很大，如圖4所示，則有效歐姆電阻為[9]

R=ρ/4r(2)

假設(shè)陽極的腐蝕電流密度幾乎是恒定的，陽極區(qū)域發(fā)生的陰極反應(yīng)相比于在無限大陰極區(qū)域發(fā)生的次數(shù)是非常少的，則腐蝕電流密度為

Jcorr=ΔE/RS=4ΔE/πrρ(3)

式中：ΔE為腐蝕電勢差；r為腐蝕陽極半徑；ρ為混凝土電阻率。

圖4 理想化的腐蝕示意圖[10]Fig. 4 Idealized schematic diagram of corrosion[10]

在腐蝕電勢差為0.25 eV的驅(qū)動力作用下，不同的混凝土電阻率和不同的陽極區(qū)域半徑的腐蝕速率如圖5所示。混凝土的電阻率越低，陽極半徑越小，則腐蝕速率越大。一般大氣環(huán)境中混凝土的電阻率為10～100 kΩ·cm，跟環(huán)境的濕度有很大的關(guān)系，局部存在異物一般會導(dǎo)致周圍混凝土電阻率下降，腐蝕速率則會進一步提升。該模型可簡單根據(jù)混凝土的電阻率推導(dǎo)出異物引起的鋼襯里腐蝕速率[10]。

圖5 鋼襯里局部腐蝕速率與陽極區(qū)域的半徑和電阻率之間關(guān)系Fig. 5 The relationship between partial liner corrosion rate, anodic region radius and electrical resistivity

3 腐蝕對鋼襯里整體密封性能的影響

鋼襯里的腐蝕會降低鋼襯里的承壓能力，影響超基準工況下的安全殼整體密封性。美國SANDIA實驗室試驗研究表明：當(dāng)鋼襯里的局部腐蝕深度超過50%時，極限承壓能力降低20%以上。在超壓事故條件下，鋼襯里的局部腐蝕會導(dǎo)致引起安全殼發(fā)生大量泄漏的壓力閾值降低[11-12]。

4 腐蝕檢測技術(shù)

對于鋼襯里的腐蝕檢查，一方面是各電廠應(yīng)在預(yù)防性維修大綱中明確規(guī)定檢查的內(nèi)容、周期、方法和維修處理方法等；另一方面是研發(fā)定量檢測鋼襯里腐蝕的技術(shù)。目前電廠主要采用目視檢測來評價鋼襯里的腐蝕狀況，比較適合初始普查，但具有一定的滯后性，無法實現(xiàn)對鋼襯里外側(cè)和不可達區(qū)域的腐蝕檢測。鋼襯里外側(cè)不僅是腐蝕敏感區(qū)域，更是檢測技術(shù)的核心點與難點，建議采用超聲相控陣技術(shù)對鋼襯里外側(cè)實施大面積掃查。

在鋼襯里板材一側(cè)設(shè)計矩陣式(三行四列)平底孔腐蝕坑。第一列到第四列埋深分別為4.5,3.5,2.5,1.5 mm；第一行到第三行平底孔直徑分別為12,10,8 mm。腐蝕坑表面布置相同面積的鐵皮以蓋住腐蝕坑，最后在鋼板側(cè)澆筑混凝土以模仿安全殼實際工況。基于CIVA的超聲相控陣檢測鋼襯里腐蝕3D建模及掃查路徑分布見圖6，鋼板一側(cè)將空氣參數(shù)設(shè)置為混凝土參數(shù)以模仿澆筑混凝土工況。本工作所有埋深是指腐蝕坑距離表面深度。

圖6 鋼襯里外側(cè)腐蝕檢測建模Fig. 6 Modeling of liner outside corrosion testing

通過現(xiàn)場測試及CIVA仿真得出超聲相控陣檢測鋼襯里外側(cè)腐蝕工藝參數(shù)如下:探頭頻率為100 MHz,晶片數(shù)量為64，晶片寬度為1 mm,晶片間距為0.1 mm,晶片長度為70.3 mm。

基于CIAV仿真平臺，模擬安全殼鋼襯里檢測工況在鋼襯里外側(cè)設(shè)置腐蝕坑，部分掃查結(jié)果見圖7，通過分析C掃描圖像可確定腐蝕坑的面積大小，再通過分析A掃描波形可確定腐蝕坑的埋深。

對鋼襯里板材一側(cè)設(shè)計矩陣式(三行四列)平底孔腐蝕坑全部掃查，得出相同缺陷尺寸下不同埋深所測數(shù)據(jù)和相同埋深下不同腐蝕坑尺寸數(shù)據(jù)，分別見表4和表5。

分析表4可知：同一尺寸的腐蝕坑，當(dāng)埋深小于2.5 mm時測得缺陷尺寸誤差相對較小，當(dāng)埋深大于2.5 mm時測得缺陷尺寸誤差相對較大,但誤差處于可接受范圍內(nèi)。

分析表5可知：在同一埋深情況下，不同尺寸的腐蝕坑缺陷測出的最大尺寸都比實際尺寸大約0.5 mm，腐蝕坑尺寸越大，誤差越小。主要是由聲場旁瓣和柵瓣的干擾造成的。

對鋼襯里板材切割腐蝕坑再澆筑混凝土模仿安全殼鋼襯里實際工況，使用超聲相控陣探傷儀GEKKO，按照之前的工藝參數(shù)對模擬試塊進行大面積掃查，以C掃描成像。

(a) C掃描區(qū)

(b) A掃描區(qū)圖7 超聲相控陣掃查鋼襯里外側(cè)腐蝕及傷波分析Fig. 7 Scanning liner outside corrosion with ultrasonic phased array and the analysis of flaw echo

腐蝕坑尺寸/mm埋深/mm測得埋深/mm誤差/%101.51.388102.52.697.6103.53.8610.2104.54.0110.89

表5 相同埋深下不同腐蝕坑尺寸數(shù)據(jù)Tab. 5 Data of different sizes of corrosion cavity in the same buried depth

結(jié)果表明：第二行第二列腐蝕坑埋深設(shè)置為3.5 mm，GEEKO超聲相控陣探傷儀實際檢測其腐蝕坑埋深為3.84 mm，CIVA仿真結(jié)果為3.86 mm。實際檢測和CIVA仿真得到的C掃描圖像中的缺陷與設(shè)置的腐蝕坑幾何形狀一致，且缺陷尺寸與埋深數(shù)據(jù)都在可接受范圍內(nèi)，實際檢測與仿真結(jié)果一致。超聲相控陣可實現(xiàn)對安全殼鋼襯里的大面積掃查。

5 結(jié)論

鋼襯里腐蝕以防潮屏障劣化引起的鋼襯里腐蝕和鋼襯里外側(cè)腐蝕后果最為嚴重，這是因為兩者其腐蝕較快、且隱蔽性強、難以有效檢查。本工作根據(jù)國內(nèi)外腐蝕事件，結(jié)合實際現(xiàn)場的檢查情況，對這兩種鋼襯里腐蝕的主要機理和影響因素進行了分析和探討。從電廠運行管理者角度，應(yīng)采取以下措施來保證壽期內(nèi)鋼襯里的腐蝕得到有效控制。

(1) 電廠應(yīng)在預(yù)防性檢查大綱中明確規(guī)定檢查的內(nèi)容、周期、方法和維修處理方法，對目視檢查疑似缺陷應(yīng)采取超聲等無損檢測手段。

(2) 在傳統(tǒng)超聲檢測的基礎(chǔ)上，補充使用超聲相控陣檢測技術(shù)能實現(xiàn)在不損傷鋼襯里表面涂層的前提下大面積掃描且具有較高精度，可滿足鋼襯里腐蝕檢測的需要。