核电厂二回路水化学沉积与腐蚀问题研究
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作者:吴玉彬 安洋
摘 要：世界上目前已经建立的核电厂大约有近五百座，绝大多数都是压水堆核电厂。核电厂水化学的问题研究，一直是世界上核电事业研究的重中之重。核电厂水化学的问题往往不像机械设备，仪器仪表之类的立即发生事故，容易被忽视。尤其是水化学腐蚀问题。如果不对此类问题给予相应的重视，核电厂水化学的腐蚀很容易造成难以预测的后果，甚至破坏反应堆。本文针对核电厂二回路水质问题进行了研究，其目的在于探讨核电厂二回路的腐蚀机理以及预防措施。
关键词：二回路 腐蚀 核电厂
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0127-02
1 二回路水化学控制的目的和意义
核电厂二回路的水化学控制问题，一直是核电厂工程师们研究的主要问题之一。优化二回路水质的控制。主要有三个目的。（1）保护蒸汽发生器传热管不受二次侧水的腐蚀和引起积垢问题。（2）防止水管道腐蚀速率过快。（3）防止由于水质问题所带来的设备腐蚀。
2 二回路中水杂质危害与解决措施
二回路中存在这许多杂质，这些杂质如果处理不好，很容易造成设备的腐蚀。其杂质主要来源于冷凝器的水透过缝隙，点蚀孔，裂纹等渗入其中。由于水质来源有海水湖水等，二回路中存在的Mg+，K+，Ca+等会产生结垢问题。同时，二回路的水中存在一些酸性离子，如So42-，Cl-等，这些离子使得二回路管道发生腐蚀。
2.1 水杂质带来的危害
蒸汽发生器在二回路中是非常重要的器件。二回路的水质不好，会对蒸汽发生器带来非常大的影响。传热管道上的沉积物会影响蒸汽发生器的传热特性，在管支板上的沉积会增加流动阻力，影响水力特性。同时，水中的杂质会在水流不畅通的位子，如管板，管支撑板缝隙处浓缩，沉积，形成腐蚀环境。一般来说，二回路中水流通过蒸汽发生器时，只有不到10%的杂质会被排污流带走。
2.2 水杂质控制的目的与措施
导致核电站传热管腐蚀的原因有很多，二回路中的水质问题，如果处理不好会造成非常严重的后果。对二回路中水质问题，加以控制，是很有必要的。其目的在于减少蒸汽发生器中的沉积，控制pH值使得设备处于正常的工作环境，用时减少氧化反应的发生。
2.3 二回路中氧的危害与解决措施
二回路给水系统的氧主要来源于空气的内漏，水中溶解了一定的氧气。氧元素对沉积腐蚀问题有着很大的影响，因此，控制二回路中氧的含量对于维持设备的稳定是非常重要的。
在目前，国际上一般采用蒸汽加热除氧剂，这种办法除氧效率能达到90%。并辅助添加具有挥发性的还原剂，如联氨，碳酰肼，二乙茎甲苯酰肼等来进行除氧。
值得一提的是，添加联氨对除氧非常的有效。在给水中添加联氨，一方面起着除氧的作用，其反应为N2H4+O2→N2+2H2O。另一方面，起着降低还原性氧化物含量的作用，起反应为6Fe2O3+N2H4→N2+2H2O+4Fe3O4，4CuO+N2H4→N2+2H2O+2Cu2O。联氨将可还原性氧化物的阳离子价态降低，转化成氧化物沉淀，最终形成氧化膜颗粒。联氨对氧化物的还原机制受到温度，氧化物溶解度，溶解和沉积的速率等因素的影响。
3 系统设备材料腐蚀问题研究
二回路中的设备腐蚀是研究二回路水质影响问题的重中之重，设备主要材料为铜以及铜合金，碳钢等金属。本文查阅相关资料，咨询专业人士，并结合自己的工作经验，对二回路中的设备的腐蚀问题做了相应的分析和研究。
3.1 流动加速腐蚀问题研究
二回路水质问题带来的最主要腐蚀机理是流动加速腐蚀问题（FAC）。水流速度较快时，对碳钢起着保护作用的致密氧化薄膜溶解，腐蚀速度提高。且水流动十分快速，冷却剂中的铁离子浓度并未达到饱和。而饱和蒸汽核电站蒸汽循环系统无法避免流动加速腐蚀的发生。在流动的单相水中或者两相的湿蒸器中，在钢铁材料表面生成的Fe3O4氧化膜发生溶解，并被流体带走，从而使得材料表面失去保护而发生的腐蚀。
3.2 流动加速腐蚀的机理以及影响因素
流动加速腐蚀问题是二回路腐蚀问题的研究热点，目前如何预防和减低流动加速腐蚀问题对于保护压水堆正常反应具有非常重大的意义。流动加速腐蚀在湿润的流道壁中是连续湿润的，在干蒸汽中不会发生。因此，蒸汽的干度和流速比较关键。当水中的环境处于低氧和还原性较强时候，碳钢表面Fe3O4氧化膜在140℃～150℃达到最大溶解度，流动加速腐蚀速率也最高。碳钢管道的FAC速度可以达到很高的程度，某些电厂甚至可以达到3mm/yr的程度。
3.3 预防和降低流动加速腐蚀的措施和解决办法
降低四氧化三铁的溶解度。在高氧的氧化性水中（ORP为+100～150mv），表面形成Fe2O3和FeOOH， 铁离子的释放速率为RT～300℃降低两个数量级。实验研究表明，随着PH值的增加，铁离子浓度降低。而温度对铁离子浓度的影响是非线性变化的。铁离子浓度在250℃附近达到最高点。为了保证给水中Fe（0H）2的溶解度低于四氧化三铁的溶解度，因此实际反应中，温度值当控制在250℃左右，pH值应不低于9.6，最好在10 以上。
增加水质中的溶解氧含量。氧元素对流动加速腐蚀起着抑制作用。溶解氧通过与碳钢内表面氧化膜作用，从而影响流动加速腐蚀。研究表明，当溶解氧含量低的时候，碳钢管道内壁形成疏松多孔的氧化亚铁和非常薄的四氧化三铁外延层，这层保护膜无法有效的抵抗谁留的冲击。在这种情况下，流动加速腐蚀得不到抑制，进而对设备造成較大的腐蚀问题，严重时，甚至会产生应力腐蚀裂纹。当水质中溶解较多的氧元素时，形成的四氧化三铁致密的氧化膜，能够有效的低于水流的冲击作用，流动加速腐蚀的程度得到了大大的抑制。
最大程度的抑制两相流FAC的发生。两相流的FAC相对于单相流的FAC，情况更加复杂，而危害也更加大。汽液两相端流复杂，强烈。很容易造成Fe4O3氧化膜的破碎和剥离。受到汽液两相中，溶质分布平衡关系的影响，提高PH值和溶解氧含量的方法对于抑制两相流FAC的适用性受到了限制。防止两相流的关键问题在于合理选材，采用含Cr含量高于0.5%的钢比较有效，推荐使用含Cr量为1.25%的SA335-P11钢。
综上所述，在功率运行期间，Cr含量的增加，pH值的增加，溶解氧含量的增加对于抑制流动加速腐蚀的发生，均十分有效。同时，适当提高Cu和Mo的含量对降低FAC速率也有一定的效果。
4 结语
虽然二回路腐蚀问题的研究已经较为成熟，但是任然存在着诸多问题。相较一回路而言，二回路由于其特性，其水质问题对核电厂压水堆影响更为复杂。本文基于保护核电厂反应堆正常反应这一目的，对二回路的水化学问题进行介绍。同时，对于多年来一直困扰着核电行业的热点性问题，即流动加速腐蚀问题做了详细的介绍。对流动加速腐蚀的机理，影响因素这些问题给了分析。本文最后针对如何预防FAC这一突出问题，重点进行了说明，并给出了解决办法。
参考文献
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