廠房通風管道腐蝕原因分析與對策

采用鍍鋅碳鋼作為廠房通風風管材料時，局部區(qū)域會發(fā)生優(yōu)先腐蝕，從而導(dǎo)致風管失效，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)查并進行分析，研究表明局部區(qū)域氣壓變化導(dǎo)致空氣中水分在局部區(qū)域凝結(jié)，空氣中氯離子在凝結(jié)水中聚集，導(dǎo)致局部腐蝕速度遠大于一般大氣腐蝕速度。可以通過在局部有凝結(jié)水區(qū)域采用耐蝕性更好的材料代替鍍鋅碳鋼以延長風管整體壽命。

0　前言

核電站通風系統(tǒng)主要功能是為各廠房通風散熱，由風機房內(nèi)的風機及分布在廠房內(nèi)的通風管道組成，國內(nèi)某核電站通風管道采用鍍鋅鋼板，隨著服役年限延長部分區(qū)域出現(xiàn)腐蝕情況，且由于腐蝕及設(shè)計不足多次出現(xiàn)脫落問題，該系統(tǒng)雖與核安全無關(guān)，但腐蝕脫落會帶來工業(yè)安全問題，因此有必要對風管腐蝕特點、原因進行分析并給出解決方案，同時匯總結(jié)構(gòu)設(shè)計不足問題及應(yīng)對措施，可為現(xiàn)役電站糾正維修及新建電站通風系統(tǒng)設(shè)計提供指引。

1　腐蝕特征與原因分析

1.1 通風管道中風管腐蝕特征調(diào)查

從電站維修管理系統(tǒng)中查閱歷史風管腐蝕相關(guān)事件，對腐蝕部位類型進行統(tǒng)計，主要包括六類：風門前后(相連風管、鉚釘、風門)、風管轉(zhuǎn)向位置(彎頭、導(dǎo)風裝置)、風機出口風管、風門本體及內(nèi)部組件、過濾器前后，各腐蝕類型在調(diào)查的兩座核電站主要分布情況如圖1所示，該結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致，其中風機出口、風門及前后風管、風管改變方向(靠近風機出口)位置是最主要的腐蝕失效部位。

圖1　歷史腐蝕部位分類分布圖

1.2　腐蝕原因分析

鋅在室外海洋大氣環(huán)境中均勻腐蝕速率約為0.5～8μm/年，與碳鋼材料相比，在大多數(shù)環(huán)境中鍍鋅層腐蝕速度平均比碳鋼低22倍，且均大于10倍，因此選擇鍍鋅層作為風管材料防腐層的設(shè)計是合理的。然而現(xiàn)場的鍍鋅層卻在局部位置快速腐蝕，導(dǎo)致風管腐蝕不可用，結(jié)合現(xiàn)場風管腐蝕調(diào)查結(jié)果，風機出口、風門及前后風管、風管改變方向(靠近風機出口)位置是腐蝕敏感部位，這些位置的共同點主要表現(xiàn)在該區(qū)域氣體壓力發(fā)生明顯變化，風機出口由于風機提供動能導(dǎo)致風壓升高，風管轉(zhuǎn)向位置、風門等有阻擋作用位置，風在風門表面、風管轉(zhuǎn)向位置由于阻擋作用風速降低，根據(jù)流體能量守恒，流體動能降低時其靜壓能升高，即此位置均存在風壓力升高，導(dǎo)致空氣中的水蒸汽分壓升高，當水蒸汽分壓超過形成凝結(jié)水，而空氣中氯離子溶解于水中形成侵蝕性環(huán)境。鋅在含有氯離子的水溶液介質(zhì)中典型腐蝕速度為20～70μm/年，遠遠高于大氣環(huán)境中十倍以上，而風管鍍鋅層厚度僅20μm，將在短時間內(nèi)消耗，無法起到保護作用。

凝結(jié)水在上述位置產(chǎn)生的原因如下：

風壓由空氣分壓和水蒸氣分壓組成，即：

Pwind

o=PAiro+PWatero

此溫度下水對應(yīng)飽和蒸汽壓為Pt1,Water;

此時濕度為：ηt1o=PWatero/ Pt1,Water;

當風壓升高時Pwind=PAiro+ΔPAir+PWatero+ΔPWater;

此時濕度升高：ηt1=(PWatero+ΔPWater)/ Pt1,Water>ηo，當超過100%時產(chǎn)生凝結(jié)水;

汽機廠房溫度高于外部，當風進入風管后不斷被加熱，此時對應(yīng)溫度下水飽和蒸汽壓升高，即Pt2,水>Pt1,水;

濕度為：ηt2=(PWatero+ΔPWater)/ Pt2<ηt1，隨溫度升高不斷減小，直至不在產(chǎn)生凝結(jié)水。

依據(jù)上述分析，水凝結(jié)將發(fā)生在風機出口、風門前后、風向改變位置，隨風管深入汽機廠房越遠，凝結(jié)水/腐蝕發(fā)生頻率、嚴重程度降低，與現(xiàn)場觀察到結(jié)果完全一致。

1.3　腐蝕模式

通風管道中風管中輸送的介質(zhì)是來自于室外的高濕度、高鹽份的空氣，同時局部存在上述描述的凝結(jié)水環(huán)境，風管材料在這些環(huán)境中主要表現(xiàn)為陰極吸氧去極化控制的電化學腐蝕，腐蝕形式上有均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕。

鍍鋅層在大氣環(huán)境和凝結(jié)水中表現(xiàn)為均勻腐蝕，但在有凝結(jié)水環(huán)境腐蝕速度顯著增大，因此現(xiàn)場易產(chǎn)生凝結(jié)水的位置鍍鋅層很快消耗完，碳鋼開始腐蝕，如圖2所示。當鍍鋅層消耗至出現(xiàn)局部基體鐵裸露時，碳鋼與鍍鋅層出現(xiàn)電偶腐蝕。在風管材料連接部位，采用搭接方式錨固，從而有縫隙存在，當處于干燥環(huán)境時，空氣中氯離子及濕氣并不容易進入縫隙，不會發(fā)生嚴重腐蝕，但當存在凝結(jié)水時，含氯離子的凝結(jié)水進入縫隙，促進了縫隙腐蝕發(fā)生，其腐蝕速度遠大于均勻腐蝕，如圖3所示。

圖2　鍍鋅碳鋼風管均勻腐蝕

圖3　風管搭接位置縫隙腐蝕

風管材料之間通過鉚接方式連接，所采用的鉚釘材質(zhì)為工業(yè)純鋁，當鍍鋅層在風管制作過程中破損或因腐蝕消耗完時，鉚釘會與鐵基體發(fā)生電偶腐蝕，如圖4所示，且在有凝結(jié)水環(huán)境時電偶腐蝕效應(yīng)會加劇，使得鉚釘被迅速消耗，從而導(dǎo)致連接強度不足，連接構(gòu)件脫落，如風門脫落，風管連接部位脫落等現(xiàn)象發(fā)生，是腐蝕掉落的主要原因之一。

圖4　鉚釘腐蝕

2　結(jié)論

通風管道中風管發(fā)生腐蝕而提前失效主要原因來自于凝結(jié)水的產(chǎn)生，在凝結(jié)水產(chǎn)生的風管段原有的鍍鋅碳鋼已經(jīng)無法滿足實際需求，因此在這些部位建議采取加強防腐措施，可考慮更換材質(zhì)有316L不銹鋼或玻璃纖維增強聚合物風管。

如使用316L不銹鋼作為風管材料，凡焊接、機械加工位置都建議做鈍化處理，如不進行酸洗鈍化處理，不銹鋼材質(zhì)風管部位焊接區(qū)域仍存在腐蝕。玻璃纖維增強聚合物風管防腐效果優(yōu)良，質(zhì)量較輕，推薦在凝結(jié)水產(chǎn)生區(qū)域使用，從現(xiàn)場酸堿環(huán)境原本使用玻璃纖維增強聚合物風管區(qū)域看，基本無腐蝕問題，且后期維護工作少。