火災(zāi)事故會嚴重影響核電廠的安全可靠運行，核電廠消防系統(tǒng)是防止火災(zāi)、降低火災(zāi)后果的重要安全屏障。然而，隨著機組服役年限的增加，消防水管道不可避免會發(fā)生腐蝕問題。近年來，國內(nèi)核電廠對于消防水腐蝕問題的重視程度逐漸提高，在消防水腐蝕評估、腐蝕管理、腐蝕檢測方面均開展了相關(guān)工作，但缺少系統(tǒng)性的核電廠消防水系統(tǒng)腐蝕與防護研究工作。

1 核電廠消防水系統(tǒng)組成

某核電廠消防水系統(tǒng)的組成如圖1所示，可以分為消防供水系統(tǒng)和消防滅火系統(tǒng)兩部分。

圖1 某核電廠消防水系統(tǒng)示意圖

消防供水系統(tǒng)

消防供水系統(tǒng)由消防水生產(chǎn)系統(tǒng)（JPP）、消防水分配系統(tǒng)（JPD）、常規(guī)島氣壓供水系統(tǒng)（JPH）組成。

消防水生產(chǎn)系統(tǒng)的功能是向核島廠房、常規(guī)島廠房及輔助系統(tǒng)（BOP）提供消防用水。系統(tǒng)設(shè)在循環(huán)水、重要廠用水及消防水（PX）聯(lián)合泵房，包括消防水池、消防水泵、管道及閥門等。

消防水分配系統(tǒng)的功能是將滿足設(shè)計壓力的消防水分配給核島、常規(guī)島、BOP等。其中，泵房至核島的消防輸水管用于輸送保護安全系統(tǒng)的消防水，按保護安全系統(tǒng)消防設(shè)施的設(shè)計基準設(shè)計。

系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)置如下：從泵房伸出兩根消防管敷設(shè)在兩個安全廠用水管溝里并延伸至核島廠房，在核島內(nèi)形成環(huán)網(wǎng)。在核島消防環(huán)網(wǎng)上又引出兩根消防管通向常規(guī)島，在與常規(guī)島供水管網(wǎng)分界處的核島兩側(cè)各設(shè)有一個電動隔離閥。

以電動隔離閥為抗震邊界，泵房至核島部分按照抗震1A級設(shè)計，常規(guī)島及BOP的廠區(qū)供水管網(wǎng)是按照保護非安全系統(tǒng)消防設(shè)施的設(shè)計基準設(shè)計的，管網(wǎng)沒有抗震要求。

常規(guī)島氣壓供水系統(tǒng)的功能是維持日常管網(wǎng)的運行壓力，此外還要提供火災(zāi)初期或第一臺消防泵尚未達到額定功率時的初期火災(zāi)消防水量。它的可靠性決定著是否能有效遏制火情的蔓延。

消防滅火系統(tǒng)

消防滅火系統(tǒng)包括核島消防水系統(tǒng)（JPI）、電氣廠房消防系統(tǒng)（JPL）、柴油發(fā)電機廠房消防系統(tǒng)（JPV）和常規(guī)島自動噴水滅火系統(tǒng)（JPT）。根據(jù)保護對象、噴淋強度、作用面積的不同，又分為預(yù)作用水噴淋滅火系統(tǒng)、預(yù)作用水噴霧滅火系統(tǒng)、開式水噴霧滅火系統(tǒng)等。

消防滅火系統(tǒng)的管道大部分為干管，即系統(tǒng)主進水主管；預(yù)作用系統(tǒng)的管道內(nèi)部為壓縮空氣，開式系統(tǒng)內(nèi)部為空氣。

2 消防水系統(tǒng)水質(zhì)特點

核電廠由生活飲用水系統(tǒng)（SEP）向消防水生產(chǎn)系統(tǒng)的消防水池供水，水質(zhì)滿足GB 5749-2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準》要求。

GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，市政給水、天然水源等均可作為消防水源，并宜采用市政給水，消防給水管道內(nèi)平時所充水的pH應(yīng)為6.0～9.0。

當(dāng)生活飲用水系統(tǒng)供水失效時，轉(zhuǎn)換成生水系統(tǒng)（SEA）供水，海水作為第三水源。核島內(nèi)RCP/RCV泵單獨的噴水滅火裝置由專設(shè)的除鹽水箱提供除鹽水，通過CO2加壓使用。為減少消防水管道的腐蝕問題，第三代核電機組已經(jīng)采用pH為9的除鹽水作為消防水源。

3 消防水管道材料

核電廠消防水管道的材料選用依據(jù)包括以下三個方面：

① 有抗震要求的消防供水管道采用碳鋼管道并以焊接方式連接，無抗震要求的常規(guī)島、BOP管道采用內(nèi)外熱浸鍍鋅管道，采用法蘭方式連接；

② 埋地管道設(shè)計為內(nèi)襯水泥砂漿的球墨鑄鐵管；

③ 根據(jù)GB/T 22158-2021《核電廠防火設(shè)計規(guī)范》，JPI系統(tǒng)中的RCP/RCV泵噴淋管道（干管）及排水管、JPL/JPV熔斷閥或雨淋閥后噴淋管道（干管）材料均為不銹鋼。

4 消防水管道常見腐蝕問題

1 均勻腐蝕

根據(jù)消防水系統(tǒng)的工況特點，消防水主要腐蝕問題是飲用水環(huán)境中的吸氧腐蝕。在飲用水環(huán)境中碳鋼的均勻腐蝕速率較低，且管道壁厚設(shè)計留有一定的腐蝕裕量，均勻腐蝕造成的危害相對較小。此外，大多數(shù)時間消防水系統(tǒng)處于滯流狀態(tài)，不需要很長時間就能消耗大多數(shù)環(huán)境水中存在的溶解氧。

電力研究學(xué)會（EPRI）研究了管道中溶解氧含量和腐蝕速率隨時間的變化規(guī)律，如圖2所示，在一條外徑為8英寸的密閉管道內(nèi)，腐蝕過程消耗了大量的氧氣，在10天后氧氣消耗殆盡。隨著氧含量的降低，材料的腐蝕速率也逐漸減小。這說明針對內(nèi)部介質(zhì)不流動的管道，在一定時間內(nèi)氧氣消耗殆盡，其腐蝕也會減緩或停止。

圖2 某8英寸滯流管線中腐蝕速率和溶解氧質(zhì)量濃度

2 腐蝕瘤腐蝕

核電廠消防水系統(tǒng)管道內(nèi)部面臨的主要腐蝕問題是腐蝕瘤導(dǎo)致的局部腐蝕。運行經(jīng)驗及研究表明，淡水中碳鋼管內(nèi)形成腐蝕瘤后，其下腐蝕坑的發(fā)展速度是碳鋼均勻腐蝕速率的2~6倍，腐蝕瘤高度是其下腐蝕坑深度的5~30倍，腐蝕瘤下的腐蝕速率大部分為0.25~0.50 mm/a，嚴重時腐蝕速率可達1.3~2.5 mm/a，典型腐蝕瘤形貌如圖3(a)所示，腐蝕瘤結(jié)構(gòu)從外到里依次為瘤皮、瘤殼、瘤核、充液腹腔和腐蝕面，如圖3(b)所示。

圖3 消防水管道內(nèi)腐蝕瘤的宏觀形貌和結(jié)構(gòu)示意

瘤皮是最外層，其主要組成是氫氧化鐵，以及碳酸鹽、硅酸鹽和沉積在上面的碎石和泥沙。

瘤皮下面是瘤殼，瘤殼主要由黑色的赤鐵礦和針鐵礦組成，薄而脆。瘤殼是內(nèi)部極低氧含量與外部較高氧含量的分界。赤鐵礦是很好的導(dǎo)體，能促進在腐蝕面生成的電子通過瘤殼與外面的氧發(fā)生陰極反應(yīng)生成氫氧根離子。瘤殼的厚度與腐蝕速率和氧含量均有關(guān)。

瘤核是腐蝕瘤的主體，通常其質(zhì)量占整個腐蝕瘤的90%。瘤核的主要成分是氫氧化亞鐵，亞鐵離子是在腐蝕面產(chǎn)生的，氫氧根離子是在瘤皮和瘤殼上形成的。氫氧根離子通過瘤殼上的裂紋被傳送到瘤核與亞鐵離子反應(yīng)生成氫氧化亞鐵。亞鐵離子與其他陰極離子如碳酸根離子反應(yīng)生成少量的碳酸亞鐵。流速越慢，瘤核越大。

充液腹腔的形成依賴于局部區(qū)域的pH。在腐蝕瘤內(nèi)部一定量的酸性離子濃縮會使局部區(qū)域呈酸性，酸性環(huán)境阻礙氧化物和氫氧化物的沉積，形成一個充液腹腔。充液腹腔尺寸隨腐蝕瘤內(nèi)局部區(qū)域酸度和pH梯度的強弱而變化。流速越低，酸性陰離子濃度梯度越大，越容易造成腐蝕瘤內(nèi)部酸性陰離子濃縮，充液腹腔越大。綜上所述，流速越低，瘤核和充液腹腔越大，腐蝕瘤就越大。

腐蝕瘤的最下層是腐蝕面，在腐蝕面的金屬發(fā)生腐蝕，基本上腐蝕瘤中所有的鐵離子都是由它提供的。腐蝕面形狀呈一個淺的圓盤，寬度大于其深度。并且，腐蝕面的邊界與其上的腐蝕瘤邊界基本重合。如果腐蝕面嚴重向下凹陷，表明在腐蝕瘤內(nèi)部存在硫酸鹽還原菌引起的進一步腐蝕。

3 空泡腐蝕

消防水生產(chǎn)系統(tǒng)中的消防水泵需要定期試驗，每次啟動消防水泵時，消防水通過帶有節(jié)流孔板的旁路管道流回到消防水池。

管道材料為碳鋼，牌號為A106 Gr.WPB，管道外徑為114.3 mm，壁厚為3.6 mm，節(jié)流孔板材料為不銹鋼，牌號為Z2CN18-10，節(jié)流孔板孔徑為19 mm。

國內(nèi)各核電廠消防水生產(chǎn)系統(tǒng)旁路管線孔板下游發(fā)生過多次腐蝕穿孔問題，由于該管線的維修涉及到機組10的狀態(tài)，所以受到各個核電廠的重視。

旁路管道內(nèi)部典型腐蝕形貌如圖4所示，腐蝕形貌以節(jié)流孔板為分界，上游為腐蝕瘤形貌，下游10～30 cm處出現(xiàn)蜂窩狀腐蝕坑，腐蝕坑邊緣銳利，發(fā)生腐蝕穿孔位置在節(jié)流孔板下游20 cm附近，為典型的空泡腐蝕形貌。

圖4 消防水管道空泡腐蝕形貌

5 消防水管道腐蝕影響

消防水管道腐蝕的常見影響包括：腐蝕穿孔影響系統(tǒng)的功能，泄漏的消防水噴淋到電氣設(shè)備等影響其他系統(tǒng)設(shè)備的功能，管道腐蝕減薄，不滿足抗震要求。除此之外，消防水管道腐蝕還會對消防水系統(tǒng)產(chǎn)生如下影響。

閥門卡澀

消防水管道的腐蝕產(chǎn)物滯留于管道內(nèi)壁，當(dāng)管道下游用戶用水時，腐蝕產(chǎn)物不可避免會有少量脫落，并隨水流一起流動，當(dāng)下游用戶停止用水時水流停止流動，此時腐蝕產(chǎn)物可能滯留于系統(tǒng)主隔離閥密封面，這在隔離維修時會導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴，從而造成閥門內(nèi)漏，影響系統(tǒng)的功能。

噴淋管線及噴淋頭堵塞

消防水管道的腐蝕產(chǎn)物會堵塞噴淋管線及噴淋頭，影響滅火功能。美國NRC通報了多起噴淋管線、噴淋頭因腐蝕產(chǎn)物堵塞的案例，流量試驗后排水不當(dāng)，導(dǎo)致管道內(nèi)局部區(qū)域有水殘留；管內(nèi)殘留水與加壓空氣中的氧形成局部腐蝕環(huán)境，造成管內(nèi)腐蝕以及腐蝕產(chǎn)物積聚，最終導(dǎo)致噴淋管道支線、噴淋頭堵塞。

6 消防水管道腐蝕管理

核電廠消防水管道腐蝕管理是系統(tǒng)性的工作，包括以下幾個方面：定期檢查、檢測和評估，腐蝕控制，壽期腐蝕管理等。

01 定期檢查、檢測與評估

近年，國內(nèi)相關(guān)工作人員在消防水管道的檢查、檢測與評估方面開展了工作，但是尚缺乏標(biāo)準化的檢測要求。

美國核電廠根據(jù)NFPA 25-2020的相關(guān)要求，定期執(zhí)行相關(guān)檢查及相關(guān)試驗工作，涉及腐蝕問題的檢查包括以下3個方面：

(1) 通過目視檢查評估部件的內(nèi)外表面狀態(tài)及管道內(nèi)部流動阻塞情況，如果發(fā)現(xiàn)被檢測面因材料損失發(fā)生壁厚不均勻現(xiàn)象（可能導(dǎo)致壁厚減薄），則需執(zhí)行壁厚檢測。

(2) 對不能排盡水或有水聚集的管段(如干管或預(yù)作用噴淋管)進行流量試驗或沖洗，以發(fā)現(xiàn)潛在的流動阻塞現(xiàn)象，或進行100%內(nèi)部目視檢查。

(3) 抽取20%管段進行壁厚檢測，識別每個測試點的劣化程度（如均勻腐蝕、微生物腐蝕），每5年所抽取的20%測試點應(yīng)不相同。

消防水管道可采用超聲測厚、射線檢測，低頻電磁（LFET）等方法進行腐蝕檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，開展腐蝕評估和抗震評估。

02 腐蝕控制

水質(zhì)控制

消防水系統(tǒng)的水質(zhì)對消防水管道的腐蝕控制起著重要作用。某水電廠消防用水直接取自江河原水，未進行相應(yīng)的殺菌處理，服役較短時間后發(fā)生微生物腐蝕，消防水管道發(fā)生泄漏。國內(nèi)核電近年在水質(zhì)控制方面做了較多嘗試，如在消防水系統(tǒng)中增加沖洗回路或增加除氧回路，第三代機組將消防水源改為除鹽水，在消防水管道中添加緩蝕劑。

美國核電廠消防水系統(tǒng)水源為原水，原水經(jīng)過一系列水處理技術(shù)處理（低于飲用水處理）后可實現(xiàn)水質(zhì)提升。美國核電廠是在消防水系統(tǒng)用原水中添加緩蝕劑，而非在投入使用的消防水各系統(tǒng)中添加緩蝕劑。

EPRI報告指出，將消防水系統(tǒng)使用的原水換成飲用水，管道壽命就可以從預(yù)期的20年延長到30年。中國核電廠消防水系統(tǒng)水源經(jīng)過處理后達到了飲用水標(biāo)準，飲用水系統(tǒng)需經(jīng)過殺菌處理，且要求末梢水應(yīng)保有殺菌劑，圖5為中國和美國核電廠消防水水質(zhì)控制的對比。

圖5 中國和美國消防水水質(zhì)控制對比

腐蝕消防水管道修復(fù)

針對服役年限較長且管道內(nèi)壁有腐蝕瘤的管道，國內(nèi)有些核電廠采用旋風(fēng)法去除管道內(nèi)腐蝕瘤后涂裝涂層。

旋風(fēng)法的原理如下：對于實際流體，如水、空氣，當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界值時，流體流動呈無序的混亂狀態(tài)，稱為湍流，旋風(fēng)法利用湍流，將大量加載著石英砂等磨料的空氣，在管內(nèi)連續(xù)渦旋湍流運動條件下，對管道內(nèi)壁進行除銹、除垢之后，再利用湍流將涂料涂敷在管道內(nèi)壁，其施工工藝如圖6所示。

圖6 旋風(fēng)法腐蝕治理工藝

此外，針對不可更換的消防水管道，國外核電廠采用原位成型防腐蝕內(nèi)襯技術(shù)進行修復(fù)。比利時Tihange3核電站消防水主管網(wǎng)直徑為300 mm，穿越變壓器下方，隨著服役時間的延長，380 kV變壓器下方的管道出現(xiàn)泄漏，該位置無法通過開挖方式修復(fù)且不可長期隔離，電廠采用非結(jié)構(gòu)修復(fù)內(nèi)襯進行修復(fù)處理，采用氣壓翻轉(zhuǎn)方式進行施工，用蒸汽進行固化，之后管道視頻檢測表明內(nèi)部修復(fù)質(zhì)量良好，后續(xù)的水壓試驗結(jié)果同樣滿足要求。

優(yōu)化定期試驗規(guī)程

消防滅火系統(tǒng)部分管道為干管，但是需要定期進行通水試驗，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計問題或操作問題，通水試驗后未進行吹掃或者吹掃不干凈，導(dǎo)致部分水殘留，進而導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕，或腐蝕產(chǎn)物堵塞噴淋頭，影響噴淋頭可用性。

目前，為解決此類問題，核電廠在試驗管道增加壓縮空氣吹掃接口，增加低位排水管，此外國外核電廠還用氮氣置換管道內(nèi)壓縮空氣。

新材料應(yīng)用

近年來，出現(xiàn)了不少用于消防水管道的新材料，如內(nèi)襯（覆）不銹鋼復(fù)合鋼管、承插壓合式連接薄壁不銹鋼管。在考慮核電廠消防水管道的抗震要求的情況下，結(jié)合新材料的性能特點，適當(dāng)選用新材料，可以有效減少核電廠消防水管道的腐蝕問題。

03 腐蝕分級管理

面對核電廠眾多的消防水管道，國內(nèi)已有核電廠采取腐蝕分級的方式進行管理，表1為消防水管道腐蝕分級，參照該表對某核電廠近千根消防水管道進行腐蝕分級，其中C3級管道數(shù)量占6%，C2級管道數(shù)量占9%，C1級管道數(shù)量占41%，C0級管道數(shù)量占44%。

表1 消防水管道腐蝕分級

結(jié)束語

隨著核電廠運行時間的延長，通常在消防水系統(tǒng)投運7～15年后，部分管線的全面腐蝕和局部腐蝕問題將逐漸加重。應(yīng)根據(jù)消防水管道的腐蝕情況，建立分級管理和預(yù)防性維修制度，并根據(jù)不同的腐蝕風(fēng)險等級采取不同的防腐蝕措施和工藝，及時開展腐蝕防護工作，從而降低消防水管道的腐蝕問題，使機組安全穩(wěn)定地運行。