消防系统对核电厂是否能安全运行起着非常重要的作用在核电厂的系统分级体系中定位为安全重要但安全不相关的非安全级系统。核电厂常规岛厂房广泛使用水消防系统(室内消火栓系统、自动喷水灭火系统和水喷雾灭火系统),因此厂房内布置了数量众多的消防管道。为保证设计年限内消防管道处于良好工作状态,国家标准《消防给水与消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014)第8.2.4条规定“室内外架空管道应采用热浸镀锌钢管等金属管材”。第8.2.8条规定“架空管道当系统工作压力小于等于1.2 MPa时,可采用热浸镀锌钢管;当系统工作压力大于1.2 MPa时,应采用热浸镀锌加厚钢管或热浸镀锌无缝钢管;当系统工作压力大于1.6 MPa时,应采用热浸镀锌无缝钢管”。同样地,《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2005)中第8.0.2条也规定“配水管道应采用内外壁热镀锌钢管或符合现行国家或行业标准,并同时符合本规范1.0.4规定的涂覆其他防腐材料的钢管,以及铜管、不锈钢管。”

　　 核电厂常规岛厂房内的消防管道通常都采用《输送流体用无缝钢管》(GB/T 8163-2008)标准的20#钢无缝钢管,设计寿命60年,DN80及以上采用法兰连接,DN65及以下采用螺纹连接。

　　 消防管道穿孔漏水会导致系统压力降低、流量减小,导致不能满足消防要求,将直接影响消防系统的正常运行;耐腐蚀年限达不到电厂设计寿命时,中途更换消防管道会造成电厂停运,将造成巨额的损失。

　　 某在运核电站的运行记录显示,随着消防管道运行时间的增加,其内壁腐蚀穿孔导致的泄漏问题也越来越严重,已经引起国内外核电厂的重视。目前,某在运核电站机组已运行20年,常规岛厂房内的消防管道也将面临着越来越多的腐蚀穿孔漏水问题。

　　 根据某在运核电站腐蚀记录档案^[1] ,核电厂投入运行以来,常规岛厂房消防管道发生腐蚀泄漏的事件有2起:一是2004年4月,1号机组汽轮机厂房西北侧(靠近核岛一侧)消防喷淋系统雨淋阀(1JPH022VT/1JPH014VT)上游立管泄漏;二是2007年10月,1号机组汽轮机厂房电动给水泵消防喷淋系统雨淋阀(1JPH002VT)上游立管泄漏。此2起泄漏事件发生时,消防管道投运年限分别为11年和14年。

　　 对发生腐蚀泄漏的管道内部进行检查,发现其内壁出现较多“管瘤”,“管瘤”下有腐蚀坑,最深处的腐蚀坑已造成管壁穿孔。立管接近汽轮机厂房的消防水分配环网管道上,“管瘤”不仅多而且大,“管瘤”腐蚀坑也较深。越靠近主干环网的分支立管,腐蚀越严重,并且“管瘤”下的腐蚀坑也越深。腐蚀穿孔集中发生在流动性较大的常规岛汽轮机厂房环网的两路供水接口处、厂区消防水分配系统的分支接口处、稳压装置分支接口处及稳压装置上下游管道。

　　 经分析^[1] ,虽然分支立管内消防水是不流动的,但由于稳压装置控制主干管网内消防水在一定压力范围内波动,导致主干管网内消防水发生混合扰动现象,流动的消防水中的游离态氧通过扰动或者扩散进入分支立管内,这些游离态氧作为金属腐蚀反应的去极化剂,使金属得以溶解。同时,频繁的水流给好氧菌提供必要的氧气、给好氧菌和厌氧菌提供必要的营养物质,这些条件均加速了微生物的繁衍,而微生物的繁衍又促进了“管瘤”的生长和腐蚀。通过分析微生物发现,在常规岛主干消防环网及其支管内均发现铁细菌和硫酸盐还原菌,靠近分支接口(三通)处的微生物数量分布明显多过其他管段,这也证实了管道内消防水的扰动加剧了分支立管的腐蚀速率。

　　 经测定,常规岛厂房消防管道最大腐蚀速率为0.39mm/年。以壁厚最大的消防管道为例,厚度为12mm的管道30年即可被腐蚀穿孔;而常用的DN100的消防管道,其壁厚为4.5mm,仅11.5年即可被腐蚀穿孔。可见,未经可靠防腐处理的消防管道,其耐腐蚀年限仅10年左右,这也与某在运核电站的运行记录档案相吻合。

　　 由于《消防给水与消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)并未规定热浸镀锌消防管道的本体厚度和镀锌层厚度要求,消防管道进行热浸镀锌加工时厂家默认执行国家标准《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》(GB/T 13912-2002),消防管道经热浸镀锌加工后,其耐腐蚀年限能否满足消防管道的设计寿命要求并不十分明确,因此需要对热浸镀锌消防管道的耐腐蚀年限进行系统分析,以指导消防管道设计选型。

　　 本分析是建立在《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》(GB/T 13912-2002)第6.2条基础之上,依据《Zinc coatings-Guidelines and recommendations for the protection against corrosion of iron and steel in structures》(BS EN ISO 14713-1:2009)第7.1条和《工业金属管道设计规范》(GB 50316-2000)第6.2.1条之规定进行的。

　　 《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》(GB/T 13912-2002)第6.2条规定,对于壁厚≥6 mm的管道(即表2中公称直径≥DN200的管道),镀层平均厚度为85μm;对于3mm<壁厚<6mm的管道(对应于表2中公称直径<DN200的管道),镀层平均厚度为70μm。

　　 英国标准《Zinc coatings-Guidelines and recommendations for the protection against corrosion of iron and steel in structures》(BS EN ISO 14713-1:2009)第7.1条给出了暴露在大气中的锌层在不同环境条件下的腐蚀速率,如表1所示。

　　 考虑到核电厂大多位于沿海地区,常规岛厂房消防管道腐蚀速率可参考C3类中等腐蚀等级,取2μm/年,则按国家标准《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》(GB/T 13912-2002)镀层厚度为85μm的DN200及以上的消防管道,其镀层耐腐蚀年限约为42年,镀层厚度为70μm的DN200以下的消防管道,其镀层耐腐蚀年限约为35年。

　　 考虑到核电厂的经济效益问题,通常不考虑电厂寿命期内停机更换消防管道,这就要求消防管道的设计寿命与电厂整体寿命一致,即60年。若按60年的电厂整体设计寿命计算,仅采用热浸镀锌层抵抗腐蚀,腐蚀速率取2μm/年,并考虑20~30μm的保护层厚度,则要求热浸镀锌层厚度为140~150μm。就目前的热浸镀锌工艺平均水平而言,在管道外表面进行打磨等措施处理后,热浸镀锌层厚度可以达到140~150μm;但内表面因无法进行打磨等处理,特别是小口径管道壁较薄,热浸镀锌层厚度难以达到。

　　 为满足设计寿命60年的要求,采用管道本体的腐蚀附加量和热浸镀锌层两部分对抗腐蚀,管道本体的腐蚀附加量按内、外表面两层进行计算,根据《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)第6.2.1条,计算公式见式(1)和式(2):

　　 式中t_s———管道计算厚度,mm;

　　 t_sd———管道设计厚度,mm;

　　 P———设计压力,MPa,取1.5MPa;

　　 D₀———管道外径,mm;

　　 E_j———焊接接头系数,取0.9;

　　 σ———设计温度下材料的许用应力,MPa,100℃条件下20#钢管取147 MPa;

　　 Y———系数,取0.4;

　　 c₁———厚度减薄附加量,包括加工、开槽、螺纹深度及厚度负偏差,mm;

　　 c₂———腐蚀或磨蚀附加量,mm;[参照《钢制化工容器设计基础规定》(HG20580-2011)表7.3.2.-2之“轻微腐蚀”类型,消防管道C₂通常不小于2mm]

　　 由于缺乏碳钢管道在核电厂常规岛厂房的平均腐蚀速率的经验数据,只能根据相近厂房的实测值确定其取值。某在运核电厂采用外部测厚方法计算出碳钢消防管道最大腐蚀速率8组数据,从大到小依次为0.15 mm/年、0.11 mm/年、0.08 mm/年、0.07mm/年、0.06 mm/年、0.04 mm/年、0.01 mm/年、0.01mm/年,实际计算时碳钢管道本体腐蚀速率取中间值0.08mm/年,则计算结果见表2。

　　 从表2可以看出,按照前面假设条件进行计算,部分小口径管道腐蚀附加量和热浸镀锌层两部分耐腐蚀年限之和小于设计使用年限。

　　 根据目前核电厂常规岛厂房消防管道的选材和默认的热浸镀锌层厚度选择,按照8组碳钢管道腐蚀速率测量值的中间值进行计算,部分小口径管道耐腐蚀年限达不到设计寿命的要求,解决的办法是增大消防管道的腐蚀附加量厚度或增大热浸镀锌层厚度,或者将两者同时加厚。

　　 应该指出,上述计算结果受消防管道实际腐蚀速率的影响较为明显,而实际腐蚀速率又受样本数量影响较大,只有样本数量足够多时腐蚀速率的取值才可能更接近实际值。因此建议业主方在日常运行维护工作中记录更多的取样点数据,为新建工程消防管道的防腐厚度设计提供更准确的依据。