李光福 上海材料研究所教授級高級工程師，上海市工程材料應(yīng)用評價重點實驗室腐蝕實驗室主任

    一、威力巨大的核電將長期為人類發(fā)展做出顯著貢獻，防腐蝕是關(guān)鍵之一

    20 世紀人類最偉大的創(chuàng)舉之一就是征服和有效利用核能，包括核能發(fā)電，其已開發(fā)成為大規(guī)模利用的能源，世界主流核電站運行的是 60 ～ 140 萬千瓦的大型機組，威力巨大。電力消費水平是當(dāng)今一個國家或者地區(qū)發(fā)展程度的重要標志，核能發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)達國家電力供應(yīng)的主要形式之一，在美國和法國等國占總發(fā)電量高達 20 ～ 80%。我國正在積極發(fā)展核電工業(yè)，不久將成為世界上核電機組最多的幾個國家之一，根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃，2020 年全國核電裝機 5800 萬千瓦、在建 3000 萬千瓦以上，2030 年全國核電裝機將超過 1.2 億千瓦，核電發(fā)電量占全社會用電量 10%左右。圖 1 和圖 2 示出美國和我國核電站分布圖。

圖1 美國110多個核電機組分布圖

圖2 我國核電站分布圖

    目前能不受自然條件約束的可控大規(guī)模發(fā)電方式首推燃煤燃油燃氣的火電和利用核裂變釋放能的核電，火電帶來明顯的環(huán)境污染和溫室氣體排放，盡管核電發(fā)生過美國三里島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利和日本福島三起重大事故而受到不小爭議，但還是被廣泛認為是能有效解決能源需求增長與化石燃料消費帶來溫室效應(yīng)和污染問題的少數(shù)答案之一。國際原子能機構(gòu)（IAEA）預(yù)計，2030 年全球核電裝機容量將高達 435722 GWe，因此可以認為威力巨大的核電將長期為人類發(fā)展做出顯著貢獻。然而核電的這些發(fā)展需要防腐科技保駕護航。

    二、核電工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上富有特色的腐蝕問題

    雖然核電工業(yè)里的金屬材料的腐蝕形式與其它種種工業(yè)領(lǐng)域里的基本類似，有全面腐蝕和局部腐蝕，局部腐蝕有應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、點腐蝕、縫隙腐蝕等，但是它涉及面寬，產(chǎn)業(yè)鏈長，除去涉及的大量通用設(shè)備的各種常見腐蝕問題外，具有核電工業(yè)特色的腐蝕問題也很繁多，比如：

    核燃料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的腐蝕問題：核工業(yè)主要采用的核燃料鈾以及钚在礦石開采、化學(xué)處理、精制濃縮等過程中，需要使用大量的酸、堿、鹽類化學(xué)物質(zhì)，中間過程也產(chǎn)生某些活潑產(chǎn)物如六氟化鈾，它們對所接觸設(shè)備都有不同程度的腐蝕性。

    核燃料在使用和存放過程中產(chǎn)生的腐蝕問題：核燃料在核電站里使用的裂變過程中，要放出射線、射線、射線、中子流等射線，還有質(zhì)子流等帶電的重粒子流。這些射線可通過影響環(huán)境介質(zhì)、周圍材料和電極過程等促進周圍材料的腐蝕。例如在射線作用下，純水會發(fā)生輻照分解，比較穩(wěn)定從而在實際工作中容易測量的產(chǎn)物主要是分子產(chǎn)物，如 H 2 O 2 和 O 2 ，它們可以明顯提高金屬材料在水中的電極電位，促進氧去極化的腐蝕。高能量中子輻照可導(dǎo)致材料產(chǎn)生空位、位錯環(huán)和原子偏聚等缺陷，導(dǎo)致材料硬化、腐蝕破裂和腫脹等問題，工程上一個重要現(xiàn)象是堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼在中子輻照作用下發(fā)生晶界 Cr 貧化、Ni等元素集聚，導(dǎo)致沿晶應(yīng)力腐蝕破裂，稱為輻照促進應(yīng)力腐蝕破裂。核燃料本身在使用和存放環(huán)境中也有腐蝕問題。

    使用后的乏燃料等放射性核廢料產(chǎn)生的腐蝕問題：核燃料在核電系統(tǒng)的反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)過運行使用后成為乏燃料，它以及核電產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)生的許多廢物都有放射性，這些放射性核廢料泄露會產(chǎn)生重大損失，因此對存放它們的容器提出非常高的要求，其腐蝕抗力尤為關(guān)鍵，美國為安全存放大量核廢料數(shù)千年，一直計劃在內(nèi)華達州尤卡山建立一座永久性的核廢料處置場，該計劃耗資巨大，核廢料容器的腐蝕與長期防護就是關(guān)鍵一項。

    核電站堆芯部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料接觸特有的反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)如高溫高壓水、鈉、鉛、熔鹽等環(huán)境而產(chǎn)生特有的腐蝕問題：比如目前核電工業(yè)中占絕大多數(shù)的是作為第二代和第三代的水堆，它們采用高溫高壓水為冷卻劑將核反應(yīng)產(chǎn)生的熱帶走發(fā)電；第四代正在研究開發(fā)的兩種快堆分別采用鈉和鉛為冷卻劑，釷燃料增殖反應(yīng)堆（又稱熔鹽堆）采用熔融態(tài)的混合鹽為冷卻劑。

    三、核電站的腐蝕防護

    核電站是核電產(chǎn)業(yè)鏈上最炫麗的寶石，其特點是是高安全可靠性要求、高投資、高回報、長壽命等，使得至始至終都會自然發(fā)生的工程材料腐蝕防護成為關(guān)鍵問題之一。 核電站外表看通常是建在的依山伴海之地，線條簡練明快、風(fēng)景如畫，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料及其涉及的服役環(huán)境種類眾多，見圖 3 和圖4，腐蝕問題也就多種多樣。

圖3 通常建在依山伴海之地的核電站，線條簡練明快、風(fēng)景如畫

圖4 壓水堆核電站典型結(jié)構(gòu)及材料簡示圖，實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腐蝕防護問題多種多樣

    比如世界和我國的主流堆型壓水堆核電站，一座這樣的核電站有數(shù)百個系統(tǒng)、幾萬臺（套）設(shè)備，按結(jié)構(gòu)位置可分為核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備與 BOP（核電站配套子項）設(shè)備三大類，按照設(shè)備服役工況或使用功能的不同，可分為核一級、核二級、核三級和非核級。核電設(shè)備的質(zhì)量與可靠性，決定了核電的安全性和經(jīng)濟性。材料在核電站中有極其重要的作用，在不同位置材料的服役環(huán)境不同。作為核電站核心的核島主設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、主管道、主泵等，是防止反應(yīng)堆放射性外泄的第一道屏障，可靠性要求最高。由于長期在高溫、高壓和強輻射場條件下工作，對核電關(guān)鍵材料的要求也最嚴格，大量采用鋯合金、奧氏體不銹鋼、鎳基合金和低合金鋼等材料。常規(guī)島設(shè)備和 BOP 設(shè)備材料主要為碳鋼和低合金鋼等，通常與放射性外泄關(guān)系不大，但腐蝕問題也會影響核電站的正常運行，另外由于核電的高度政治敏感性，一旦發(fā)生事故，即使與核安全無關(guān)，也會在社會上產(chǎn)生巨大反響。可以說材料及其腐蝕防護在核工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

    壓水堆核電站在數(shù)十年的研發(fā)和運行中，已經(jīng)發(fā)生過多種多樣的腐蝕失效。其中一個典型是發(fā)生在核島一回路和二回路系統(tǒng)里的高溫高壓水腐蝕破裂，它具有國際普遍意義、影響大、時間長，表現(xiàn)為幾個重要腐蝕防護問題如下：

圖5 蒸汽發(fā)生器傳熱管上各種失效形式和位置

    莊蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕失效與防護：圖 5 示出蒸汽發(fā)生器傳熱管上各種失效形式和位置。西方國家核電運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器實際壽命明顯低于設(shè)計壽命，大約 90％的損壞是因為腐蝕引起的，尤其是傳熱管的應(yīng)力腐蝕破裂。人們在腐蝕破裂事件、規(guī)律和改進方法上已做了大量工作，研究表明每種情況下應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件都是敏感材料、高于某臨界值的應(yīng)力或應(yīng)變、特定水化學(xué)環(huán)境三者的組合，相應(yīng)的破裂消除方法也逐漸被開發(fā)出來；

    鎳基焊材的異種金屬焊接件的腐蝕破裂與防護：90年度以來，西方國家壓水堆核電站發(fā)生了一系列該類焊接件在一回路高溫水中的應(yīng)力腐蝕破裂事件，主要是采用 600 類型鎳基合金的 182 以及 82 焊接材料的場合，典型案例如圖 6，現(xiàn)在已基本都改為采用破裂抗力顯著提高的 690 類型鎳基合金如 52、52M 和 152 等焊接材料；

圖6 2000年在美國V.C.Summer核電站安全端鎳基焊縫上發(fā)現(xiàn)的腐蝕破裂

    承受輻照的核燃料包殼和堆內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕破裂與防護：它們在苛刻的環(huán)境中服役，一方面接觸一回路的高溫高壓水冷卻劑，由于在射線作用下，水會發(fā)生輻照分解，產(chǎn)生 H 2 O 2 和 O 2 等，它們可以明顯提高金屬材料在水中的電極電位，促進應(yīng)力腐蝕破裂。另一方面，這些構(gòu)件承受中子的輻照，高能量中子輻照可導(dǎo)致材料產(chǎn)生空位、位錯環(huán)和原子偏聚等缺陷，導(dǎo)致材料硬化、腐蝕破裂和腫脹等問題，特別是堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼在中子輻照作用下發(fā)生的輻照促進應(yīng)力腐蝕破裂（IASCC），如圖 7；

    低合金鋼和碳鋼部件的腐蝕與防護：這可大致分成兩種典型情況，一種是核島內(nèi)某些耐蝕防護層破裂導(dǎo)致低合金鋼接觸高溫水發(fā)生腐蝕，典型案例是在座落于美國俄亥俄州戴維斯 - 貝斯核電站（如圖 8），另一種是在常規(guī)島部分通常就接觸高溫水的碳鋼構(gòu)件發(fā)生的流動加速腐蝕，2004 年曾在日本美浜核電站導(dǎo)致傷亡事故；四、與時俱進的防腐蝕科技為核電站保駕護航、也為腐蝕科學(xué)注入新鮮血液縱觀核電 60 多年來，從探索性的第一代到目前大量運行的第二代和大量在建的第三代，到正在研發(fā)的第四代的宏偉發(fā)展史，其中就包含著各國眾多腐蝕防護科技工作者持之以恒的應(yīng)對各種腐蝕挑戰(zhàn)及其問題演變、克服困難，在科學(xué)探索和工程應(yīng)用都取得顯著成就的奮斗史。也可以說正是由于與時俱進的防腐蝕科技的保駕護航，核電才能發(fā)展到目前的水平。

圖8 2002年3月在美國戴維斯-貝斯核電站發(fā)現(xiàn)的低合金鋼腐蝕坑及位置示意圖

    就核電站而言，各國眾多腐蝕防護科技工作者針對各種問題做了大量失效分析和研究，相關(guān)材料和服役條件也已得到很大改進，比如常用不銹鋼從普通級演變?yōu)楹思墸髁髡羝l(fā)生器傳熱管從不銹鋼演變到鎳基合金，鎳基合金從 600系列演變到 690 系列，高溫水化學(xué)也有了很大改善，改進顯微組織和殘余應(yīng)力的種種方法被開發(fā)出來，構(gòu)件的壽命和安全可靠性有了顯著提高。

    這方面已取得的大量科研成果也豐富和發(fā)展了腐蝕與防護科學(xué)，比如在高溫高壓水應(yīng)力腐蝕破裂方面，就成功開發(fā)出了高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測控技術(shù)和裂紋尖端采樣分析的實驗技術(shù)、長期監(jiān)測腐蝕裂紋微小擴展的精密技術(shù)、發(fā)展了關(guān)于各種腐蝕失效的理論包括滑移-溶解學(xué)說及定量模型、內(nèi)氧化學(xué)說和微孔洞學(xué)說等，有的已建立了內(nèi)在物理意義明確、邏輯嚴密的定量模型。

    隨著我國核電的發(fā)展，我國腐蝕防護科技工作者也將在相關(guān)科學(xué)和工程技術(shù)上做出重要貢獻。

    ●  人物簡介

    李光福，上海材料研究所教授級高級工程師，上海市工程材料應(yīng)用評價重點實驗室腐蝕實驗室主任。中國腐蝕與防護學(xué)會常務(wù)理事、中國腐蝕與防護學(xué)會能源工程委員會委員、中國腐蝕與防護學(xué)會氫脆及應(yīng)力腐蝕專業(yè)委員會委員、上海腐蝕科學(xué)技術(shù)學(xué)會常務(wù)理事、期刊《腐蝕與防護》副主編和編委會編委、中國動力工程學(xué)會材料專業(yè)委員會委員、上海高校電力腐蝕控制與應(yīng)用電化學(xué)重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員、國際輕水堆核電站材料環(huán)境促進破裂合作組織上海材料研究所代表、世界材料研究所論壇上海材料研究所代表。主要從事金屬材料腐蝕與破裂方面的研究和工業(yè)服務(wù)。在核電材料腐蝕破裂問題方面，負責(zé)完成了國家能源局核電專項和科技部 973 重點基礎(chǔ)研究基金項目中的若干課題、上海市科委若干項目、以及來自于相關(guān)工業(yè)界的若干研究和工業(yè)服務(wù)項目。在高壓埋地管線材料腐蝕破裂問題方面，作為主要負責(zé)人員完成了國家 973 重點基礎(chǔ)研究基金項目《材料的環(huán)境行為與失效機理》中子課題《材料環(huán)境失效的壽命預(yù)測》的分項、上海市科委項目《燃氣輸送管網(wǎng)材料應(yīng)力腐蝕破裂的預(yù)測與控制》和《西氣東輸用高壓管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂及其控制》，以及來自于相關(guān)工業(yè)界的研究和工業(yè)服務(wù)項目。