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为什么说威力巨大的核电需要防腐科技保驾护航

2018-04-19 14:37:06
作者:李光福
来源:上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室

虽然核电工业里的金属材料的腐蚀形式与其它种种工业领域里的基本类似,有全面腐蚀和局部腐蚀,局部腐蚀有应力腐蚀、腐蚀疲劳、点腐蚀、缝隙腐蚀等,但是它涉及面宽,产业链长,除去涉及的大量通用设备的各种常见腐蚀问题外,具有核电工业特色的腐蚀问题也很繁多,

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李光福 上海材料研究所教授级高级工程师,上海市工程材料应用评价重点实验室腐蚀实验室主任

 

    一、威力巨大的核电将长期为人类发展做出显著贡献,防腐蚀是关键之一

 

    20 世纪人类最伟大的创举之一就是征服和有效利用核能,包括核能发电,其已开发成为大规模利用的能源,世界主流核电站运行的是 60 ~ 140 万千瓦的大型机组,威力巨大。电力消费水平是当今一个国家或者地区发展程度的重要标志,核能发电已经成为发达国家电力供应的主要形式之一,在美国和法国等国占总发电量高达 20 ~ 80%。我国正在积极发展核电工业,不久将成为世界上核电机组最多的几个国家之一,根据国家能源发展规划,2020 年全国核电装机 5800 万千瓦、在建 3000 万千瓦以上,2030 年全国核电装机将超过 1.2 亿千瓦,核电发电量占全社会用电量 10%左右。图 1 和图 2 示出美国和我国核电站分布图。


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图1 美国110多个核电机组分布图

 

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图2 我国核电站分布图

 

    目前能不受自然条件约束的可控大规模发电方式首推燃煤燃油燃气的火电和利用核裂变释放能的核电,火电带来明显的环境污染和温室气体排放,尽管核电发生过美国三里岛、前苏联切尔诺贝利和日本福岛三起重大事故而受到不小争议,但还是被广泛认为是能有效解决能源需求增长与化石燃料消费带来温室效应和污染问题的少数答案之一。国际原子能机构(IAEA)预计,2030 年全球核电装机容量将高达 435722 GWe,因此可以认为威力巨大的核电将长期为人类发展做出显著贡献。然而核电的这些发展需要防腐科技保驾护航。


    二、核电工业产业链上富有特色的腐蚀问题

 

    虽然核电工业里的金属材料的腐蚀形式与其它种种工业领域里的基本类似,有全面腐蚀和局部腐蚀,局部腐蚀有应力腐蚀、腐蚀疲劳、点腐蚀、缝隙腐蚀等,但是它涉及面宽,产业链长,除去涉及的大量通用设备的各种常见腐蚀问题外,具有核电工业特色的腐蚀问题也很繁多,比如:


    核燃料生产过程中产生的腐蚀问题:核工业主要采用的核燃料铀以及钚在矿石开采、化学处理、精制浓缩等过程中,需要使用大量的酸、碱、盐类化学物质,中间过程也产生某些活泼产物如六氟化铀,它们对所接触设备都有不同程度的腐蚀性。


    核燃料在使用和存放过程中产生的腐蚀问题:核燃料在核电站里使用的裂变过程中,要放出射线、射线、射线、中子流等射线,还有质子流等带电的重粒子流。这些射线可通过影响环境介质、周围材料和电极过程等促进周围材料的腐蚀。例如在射线作用下,纯水会发生辐照分解,比较稳定从而在实际工作中容易测量的产物主要是分子产物,如 H 2 O 2 和 O 2 ,它们可以明显提高金属材料在水中的电极电位,促进氧去极化的腐蚀。高能量中子辐照可导致材料产生空位、位错环和原子偏聚等缺陷,导致材料硬化、腐蚀破裂和肿胀等问题,工程上一个重要现象是堆内构件用不锈钢在中子辐照作用下发生晶界 Cr 贫化、Ni等元素集聚,导致沿晶应力腐蚀破裂,称为辐照促进应力腐蚀破裂。核燃料本身在使用和存放环境中也有腐蚀问题。


    使用后的乏燃料等放射性核废料产生的腐蚀问题:核燃料在核电系统的反应堆内经过运行使用后成为乏燃料,它以及核电产业链上产生的许多废物都有放射性,这些放射性核废料泄露会产生重大损失,因此对存放它们的容器提出非常高的要求,其腐蚀抗力尤为关键,美国为安全存放大量核废料数千年,一直计划在内华达州尤卡山建立一座永久性的核废料处置场,该计划耗资巨大,核废料容器的腐蚀与长期防护就是关键一项。


    核电站堆芯部分关键结构材料接触特有的反应堆冷却介质如高温高压水、钠、铅、熔盐等环境而产生特有的腐蚀问题:比如目前核电工业中占绝大多数的是作为第二代和第三代的水堆,它们采用高温高压水为冷却剂将核反应产生的热带走发电;第四代正在研究开发的两种快堆分别采用钠和铅为冷却剂,钍燃料增殖反应堆(又称熔盐堆)采用熔融态的混合盐为冷却剂。


    三、核电站的腐蚀防护

 

    核电站是核电产业链上最炫丽的宝石,其特点是是高安全可靠性要求、高投资、高回报、长寿命等,使得至始至终都会自然发生的工程材料腐蚀防护成为关键问题之一。 核电站外表看通常是建在的依山伴海之地,线条简练明快、风景如画,但内部结构复杂,材料及其涉及的服役环境种类众多,见图 3 和图4,腐蚀问题也就多种多样。


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图3 通常建在依山伴海之地的核电站,线条简练明快、风景如画

 

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图4 压水堆核电站典型结构及材料简示图,实际结构复杂,腐蚀防护问题多种多样

 

    比如世界和我国的主流堆型压水堆核电站,一座这样的核电站有数百个系统、几万台(套)设备,按结构位置可分为核岛设备、常规岛设备与 BOP(核电站配套子项)设备三大类,按照设备服役工况或使用功能的不同,可分为核一级、核二级、核三级和非核级。核电设备的质量与可靠性,决定了核电的安全性和经济性。材料在核电站中有极其重要的作用,在不同位置材料的服役环境不同。作为核电站核心的核岛主设备包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、控制棒驱动机构、堆内构件、主管道、主泵等,是防止反应堆放射性外泄的第一道屏障,可靠性要求最高。由于长期在高温、高压和强辐射场条件下工作,对核电关键材料的要求也最严格,大量采用锆合金、奥氏体不锈钢、镍基合金和低合金钢等材料。常规岛设备和 BOP 设备材料主要为碳钢和低合金钢等,通常与放射性外泄关系不大,但腐蚀问题也会影响核电站的正常运行,另外由于核电的高度政治敏感性,一旦发生事故,即使与核安全无关,也会在社会上产生巨大反响。可以说材料及其腐蚀防护在核工业中发挥着关键的作用。


    压水堆核电站在数十年的研发和运行中,已经发生过多种多样的腐蚀失效。其中一个典型是发生在核岛一回路和二回路系统里的高温高压水腐蚀破裂,它具有国际普遍意义、影响大、时间长,表现为几个重要腐蚀防护问题如下:


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图5 蒸汽发生器传热管上各种失效形式和位置

 

    莊蒸汽发生器传热管的腐蚀失效与防护:图 5 示出蒸汽发生器传热管上各种失效形式和位置。西方国家核电运行经验表明,蒸汽发生器实际寿命明显低于设计寿命,大约 90%的损坏是因为腐蚀引起的,尤其是传热管的应力腐蚀破裂。人们在腐蚀破裂事件、规律和改进方法上已做了大量工作,研究表明每种情况下应力腐蚀破裂的必要条件都是敏感材料、高于某临界值的应力或应变、特定水化学环境三者的组合,相应的破裂消除方法也逐渐被开发出来;

 

    镍基焊材的异种金属焊接件的腐蚀破裂与防护:90年度以来,西方国家压水堆核电站发生了一系列该类焊接件在一回路高温水中的应力腐蚀破裂事件,主要是采用 600 类型镍基合金的 182 以及 82 焊接材料的场合,典型案例如图 6,现在已基本都改为采用破裂抗力显著提高的 690 类型镍基合金如 52、52M 和 152 等焊接材料;

 

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图6 2000年在美国V.C.Summer核电站安全端镍基焊缝上发现的腐蚀破裂

 

    承受辐照的核燃料包壳和堆内构件的应力腐蚀破裂与防护:它们在苛刻的环境中服役,一方面接触一回路的高温高压水冷却剂,由于在射线作用下,水会发生辐照分解,产生 H 2 O 2 和 O 2 等,它们可以明显提高金属材料在水中的电极电位,促进应力腐蚀破裂。另一方面,这些构件承受中子的辐照,高能量中子辐照可导致材料产生空位、位错环和原子偏聚等缺陷,导致材料硬化、腐蚀破裂和肿胀等问题,特别是堆内构件用不锈钢在中子辐照作用下发生的辐照促进应力腐蚀破裂(IASCC),如图 7;

 

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    低合金钢和碳钢部件的腐蚀与防护:这可大致分成两种典型情况,一种是核岛内某些耐蚀防护层破裂导致低合金钢接触高温水发生腐蚀,典型案例是在座落于美国俄亥俄州戴维斯 - 贝斯核电站(如图 8),另一种是在常规岛部分通常就接触高温水的碳钢构件发生的流动加速腐蚀,2004 年曾在日本美浜核电站导致伤亡事故;四、与时俱进的防腐蚀科技为核电站保驾护航、也为腐蚀科学注入新鲜血液纵观核电 60 多年来,从探索性的第一代到目前大量运行的第二代和大量在建的第三代,到正在研发的第四代的宏伟发展史,其中就包含着各国众多腐蚀防护科技工作者持之以恒的应对各种腐蚀挑战及其问题演变、克服困难,在科学探索和工程应用都取得显著成就的奋斗史。也可以说正是由于与时俱进的防腐蚀科技的保驾护航,核电才能发展到目前的水平。


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图8 2002年3月在美国戴维斯-贝斯核电站发现的低合金钢腐蚀坑及位置示意图

 

    就核电站而言,各国众多腐蚀防护科技工作者针对各种问题做了大量失效分析和研究,相关材料和服役条件也已得到很大改进,比如常用不锈钢从普通级演变为核级,主流蒸汽发生器传热管从不锈钢演变到镍基合金,镍基合金从 600系列演变到 690 系列,高温水化学也有了很大改善,改进显微组织和残余应力的种种方法被开发出来,构件的寿命和安全可靠性有了显著提高。


    这方面已取得的大量科研成果也丰富和发展了腐蚀与防护科学,比如在高温高压水应力腐蚀破裂方面,就成功开发出了高温高压水环境中电化学测控技术和裂纹尖端采样分析的实验技术、长期监测腐蚀裂纹微小扩展的精密技术、发展了关于各种腐蚀失效的理论包括滑移-溶解学说及定量模型、内氧化学说和微孔洞学说等,有的已建立了内在物理意义明确、逻辑严密的定量模型。


    随着我国核电的发展,我国腐蚀防护科技工作者也将在相关科学和工程技术上做出重要贡献。


 

    ●  人物简介

 

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    李光福,上海材料研究所教授级高级工程师,上海市工程材料应用评价重点实验室腐蚀实验室主任。中国腐蚀与防护学会常务理事、中国腐蚀与防护学会能源工程委员会委员、中国腐蚀与防护学会氢脆及应力腐蚀专业委员会委员、上海腐蚀科学技术学会常务理事、期刊《腐蚀与防护》副主编和编委会编委、中国动力工程学会材料专业委员会委员、上海高校电力腐蚀控制与应用电化学重点实验室学术委员会委员、国际轻水堆核电站材料环境促进破裂合作组织上海材料研究所代表、世界材料研究所论坛上海材料研究所代表。主要从事金属材料腐蚀与破裂方面的研究和工业服务。在核电材料腐蚀破裂问题方面,负责完成了国家能源局核电专项和科技部 973 重点基础研究基金项目中的若干课题、上海市科委若干项目、以及来自于相关工业界的若干研究和工业服务项目。在高压埋地管线材料腐蚀破裂问题方面,作为主要负责人员完成了国家 973 重点基础研究基金项目《材料的环境行为与失效机理》中子课题《材料环境失效的寿命预测》的分项、上海市科委项目《燃气输送管网材料应力腐蚀破裂的预测与控制》和《西气东输用高压管线钢应力腐蚀开裂及其控制》,以及来自于相关工业界的研究和工业服务项目。

标签: 李光福, 核电, 防腐

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