为什么核电站冷却水系统采用双相不锈钢管道?而不是别的特殊钢材钢管?

核电厂安全运行的关键因素是冷却水管道系统。这个复杂的系统包含数千英尺的管道,直径从大到小不等,其功能是为核电站设备的冷却提供可靠的供水。通常有一个非安全级操作系统和一个安全级紧急系统。非安全级管道系统必须提供足够的冷却水来进行核电设备的正常冷却。而安全级系统必须在紧急情况下,提供足够的冷却水使反应堆处于受控状态并将其安全关闭。上述这些系统所使用的管道材料,必须在设备的整个使用寿命期都能抗冷却水的腐蚀。

根据核电站位置的不同,冷却水的种类从相对干净的淡水到被污染的海水。因此,管道材料的腐蚀程度差别很大。经验表明,随着系统的老化,可能会出现各种腐蚀问题,如果不加以解决,会对系统造成损害,阻碍其提供所需的冷却水。

当冷却水管道出现问题时,通常涉及材料及其与冷却水的相互作用。系统结垢(堵塞)和腐蚀造成的渗漏是最常见的问题。以下情况常常会导致结垢:沉积物聚积,海洋生物附着(生物污损),腐蚀产物积聚以及异物的堵塞。渗漏问题通常是由于微生物腐蚀(MIC)所导致。MIC是一种侵蚀性很强的腐蚀形式,由水中的某些微生物引起。碳钢和低合金化不锈钢经常发生这种形式的腐蚀。

碳钢管道内部的结垢/生物污损,是供水管道的典型问题

在北美运营的大多数核电站过去都采用碳钢管道系统,有时用水泥或橡胶涂覆或做衬里。由于存在可靠性的问题,必须持续监控,并且维护成本很高。因此,许多机组已经用更耐腐蚀的材料替换了碳钢管道。为满足新核电站60年以上的设计寿命,将考虑使用性能更好的材料。

不锈钢一直被认为是建造新的供水管道系统以及维修或更换现有碳钢系统的可行方案。管道升级方案中常用的不锈钢为304L、316L或6%Mo不锈钢。而316L和6%Mo不锈钢两者性能和价格差距较大。如果冷却介质是未经处理的水,腐蚀性较强且有微生物腐蚀的风险,则304L和316L并非适当的选择。因此,核电站不得不升级为6%Mo不锈钢或接受碳钢系统高昂的维护成本。一些核电站仍然使用碳钢衬里管道,因为初始成本较低。

根据ASTM A240,工业供水管道系统常用不锈钢的化学成分范围(重量%)

杜克电力公司位于美国南卡罗来纳州的卡托巴核电站是第一家在其系统中使用2205(UNS S32205)双相不锈钢的核电站。该牌号含有约3.2%的钼,耐腐蚀性能提高,并且耐微生物腐蚀的性能显著优于304L和316L不锈钢。将补给水输送到主冷凝器冷却塔的管道系统,其地上部分的碳钢衬里管道被更换为2205双相不锈钢管道。

新更换的2205双相不锈钢管道安装于2002年。管道长度60米,直径为76.2厘米和91.4厘米,管道壁厚为0.95厘米。该系统按照ASME B31.1 动力管道规范案例153建造。该规范是电厂管道系统安全使用的管理规范之一,在世界上被广泛使用。

卡托巴核电站安装的大口径2205双相不锈钢管道

在管道使用500天后,对系统进行了彻底检查。检查中发现没有结垢或腐蚀迹象,2205双相不锈钢性能表现非常好。自安装以来的十多年时间里,2205不锈钢管道一直表现良好。基于这种经验,杜克电力公司已在其系统的其他部分使用2205双相不锈钢管道。

使用500天后,2205管道的内部。去除表面污渍后,没有发现焊缝的腐蚀

现在,核电站供水系统的设计人员在选择耐腐蚀性冷却水的管道材料时,又多了一个选择。2205双相不锈钢的成功应用,可降低维护成本,减少停机时间并确保核电站的运行安全。