摘要：消防水箱内部管道长期浸泡在水中，消防水不断向涂层内部渗透导致涂层鼓泡，防腐功能失效；在微生物的腐蚀作用下促进了管道外壁腐蚀瘤的形成，腐蚀瘤内外氧浓差构成了局部腐蚀原电池并加速了管道局部腐蚀。通过对管道外防腐涂层进行恢复可有效地阻止或遏制腐蚀的进一步发展。
关键词：核电厂；腐蚀瘤；微生物腐蚀；氧浓差腐蚀
0 引言
某核电站消防水箱主要用于保障和供应电站消防系统及预处理水系统用淡水，属于电站消防系统和预处理水的重要组成部分，核电站每台机组共设计使用了两台消防水箱。消防水箱内部进水和取水管道为碳钢管道，管道设计采用了涂层防护措施。由于消防水箱一直处于运行状态且检修频率较低，日常的腐蚀检查较难以覆盖其内部管道。在某核电站1号机组换料大修期间，对其2号消防水箱进行定期的检查维护；经检查发现，内部管道外壁出现大面积的腐蚀。腐蚀产物恶化了水质，甚至造成消防系统设备故障率增加。
1 腐蚀形貌分析
1.1 腐蚀产物形貌
水箱内部分布有三种规格的碳钢管道，主要功能为进水管和取水管；从管外壁形貌看管道外防腐涂层已大面积出现小鼓泡，管道上表面沉积有大量的黄褐色粘泥。在粘泥附着区域管道外壁形成了大量的腐蚀瘤，腐蚀瘤外层形貌成黄褐色泥状；腐蚀瘤的分布主要有形成初期的呈离散分布的细小瘤核，以及形成时间较长的成片连接在一起的尺寸较大的腐蚀瘤区（如图1）。
1.2管道腐蚀形貌
对管道涂层起泡及结瘤形成初期区域进行刮铲后，发现鼓泡内部为液体；而对完整涂层进行刮铲后可看到涂层下方为一层分布较均匀的黑色腐蚀产物，管道金属基体没有明显腐蚀蚀坑。对腐蚀瘤进行铲除后，发现腐蚀瘤下方为大量液体及黑色腐蚀产物，且腐蚀瘤下方管道金属基体上形成了大量2~3mm深的腐蚀凹坑（如图2）。
2腐蚀机理分析
2.1 管道服役环境
消防水箱内消防水为经过淡水厂处理后的生产生活用淡水，水箱内碳钢管道一般都处于液位以下全浸泡状态。由于消防水箱容积较大，内部水体难以形成较大的搅动；因此，难以对管道外侧进行冲洗，从而导致管道外侧沉积物长期累积。另一方面，消防水处于间歇性地取水和充水状态，从而导致水箱内部淡水也处于间歇性地流动或静止；间歇性补充的新鲜消防水同时携带了一定的氧气，不定时地补充了水体内部的含氧量，保持了消防水箱内部水体的腐蚀性。
2.2 防腐涂层失效过程
水箱内部管道长期浸泡在水中，由于管道涂层暴露于水中通常会吸收0.1%~3%（占涂层比重）的水，涂层吸水后会引起润胀，使体积增大。当吸水润胀发生在局部时，若膨胀应力大于涂层附着力，则导致涂层鼓泡。另一方面，在涂装前管道金属基体表面难免会残留有部分亲水性盐分或杂质等存在于涂层与金属基体之间，浸润于水中后涂层相当于半透膜，水可以透过，而对一些溶质则不易透过，因而会产生渗透压。长期浸泡在水中的涂层，在渗透压的作用下随着水分的不断向涂层内部渗透最终导致涂层鼓泡甚至开裂。消防水箱内部进出水管道，在消防水的长期浸润下管道涂层出现了大面积的鼓泡甚至开裂，管道涂层已基本丧失了对管道的防腐作用。
2.3 膜下腐蚀过程
在鼓泡破裂前，消防水箱中的水、氧和离子穿入涂层，并以一定的传递速率到达涂层/金属界面，在涂层与金属基体之间聚集并形成腐蚀的局部环境。在环境的腐蚀作用下，金属表面发生阳极反应：Fe - 2e- → Fe2+、而阴极反应过程为：H2O+1/2O2+2e-→ 2OH―。由于管道外壁涂层较厚，氧气渗入相对较难进入量较少，因此在膜下金属表面上生成的腐蚀产物呈黑色（FeO?xH2O和Fe3O4?yH2O的颜色）；而在涂层开裂或受到破坏处，外层腐蚀产物呈红棕色（主要为三价铁）。
2.4 管结瘤腐蚀过程
消防水通过碳钢管道传输，经过对管道的冲刷，水中含有一定的杂质铁。铁细菌好气、嗜中性环境，适宜于常温繁殖，在含铁的淡水中铁细菌分布广泛。铁细菌能够将溶解于水中的Fe2+氧化成Fe3+，总反应式为4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(0H)3。生成的Fe(0H)3沉淀物聚集在细菌周围产生大量的棕色粘泥，由于管道防腐涂层大面积损坏失去防护功能，沉积在管道上的棕色粘泥导致管道的点蚀并促进了腐蚀瘤的初步形成。腐蚀瘤内部形成了一个充液腹腔，腐蚀瘤壳将腐蚀瘤内外部环境隔离，阻碍了腐蚀瘤外部氧气进入腐蚀瘤内部。腐蚀瘤内部随着腐蚀的不断发展呈缺氧环境，而腐蚀瘤外部由于消防水的间歇性流动不断更换新的消防水保持了水中一定的氧气浓度。腐蚀瘤内部氧的浓度低，形成了腐蚀阳极；腐蚀瘤外部氧的浓度高，形成了腐蚀阴极；从而构成了氧浓差电池，加速了腐蚀过程。腐蚀瘤内外氧气浓度保持一定的差异，局部加速了腐蚀的发展；导致腐蚀瘤下方金属基体表面出现了大量的腐蚀凹坑。腐蚀瘤最外层氧含量较充分，腐蚀产物呈红棕色（主要为三价铁）；而腐蚀瘤内部氧含量相对较少，产物呈黑色（主要为Fe3O4）。
3 腐蚀缺陷处理
鉴于管道外壁腐蚀瘤覆盖面积较大，首先对管外壁腐蚀瘤及旧涂层采用铲刀进行手动刮、铲等方法进行预清理。对管道外表面进行预清理后，采用电动角磨机进行机械打磨除锈，彻底除去管道外壁腐蚀产物及老化失效涂层，除锈等级达到St3级。经过对表面除锈及除旧涂层处理后，使用吸水纸或抹布进行擦拭除尘。据环境腐蚀特性，对管道防腐处理采用附着力较高、抗化学性能极佳的新型无溶剂型重防腐涂料。新选用的防腐油漆配套方案为2道改性环氧底漆和2道环氧厚浆型面漆。按照涂料使用说明调配油漆，采用刷涂或滚涂等方法施涂。根据涂料使用说明严格控制涂装间隔，施涂两道底漆和两道面漆，总干膜厚度不小于600微米。
使用新材料对消防水箱内部管道防腐措施进行重新恢复后，提高了管道涂层的耐水及防腐性能，使管道得到了有效地腐蚀防护。经过两次换料周期后，管道涂层仍保持完好，管道金属基体腐蚀情况未出现明显的扩展，并经过检测发现消防水箱内部水质得到了明显改善，系统设备的运行工况也得到相应改善。
4 结论
（1）防腐涂层长期浸泡在水中，随着水分的不断渗入，防腐涂层会逐步的出现鼓泡，最终导致设备防腐涂层的防腐功能失效。
（2）防腐涂层失效后，首先在膜下产生较均匀的腐蚀，金属基体没有明显的腐蚀蚀坑，腐蚀产物呈黑色。
（3）在微生物的作用下，管道外壁形成腐蚀瘤。在腐蚀瘤内外存在较大的氧浓度差，造成局部形成氧浓差腐蚀原电池，加速管道腐蚀。水箱内部消防水的更替使得氧浓差得到持续保持，结果导致腐蚀瘤内部金属基体受到持续的腐蚀，出现大量的的腐蚀凹坑。
（4）采用无溶剂重防腐改性环氧涂料和环氧厚浆型防腐涂料，对消防水箱内部管道进行防腐处理，可有效地遏制腐蚀的发展和改善水箱内部水质。
参考文献
[1] 高瑾，米琪.防腐蚀涂料与涂装.北京：中国石化出版社，2007
[2] 李晓刚，等.材料腐蚀与防护.长沙：中南大学出版社，2009
[3] 乔培鹏，刘飞华，赵万祥.球墨铸铁饮用水管道腐蚀失效分析[J].腐蚀与防护，2011，32（8）：669-672
论文作者:余孝德
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/9/30
标签：涂层论文; 管道论文; 水箱论文; 基体论文; 产物论文; 金属论文; 形貌论文; 《建筑学研究前沿》2019年12期论文;