為什么核電站冷卻水系統(tǒng)采用雙相不銹鋼管道？而不是別的特殊鋼材鋼管?
世界核協(xié)會(huì)年度報(bào)告顯示，2021年全球核電發(fā)電量超過(guò)2500億千瓦時(shí)，占全球電力供應(yīng)的10.5%。截至2024年6月，全球共有54臺(tái)核電機(jī)組在建。核電作為清潔能源，是全球降低碳排放的主要貢獻(xiàn)者，未來(lái)可發(fā)揮更大作用。冷卻水系統(tǒng)是核電站必不可少的組成部分，為雙相不銹鋼管道的應(yīng)用提供了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
核電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素是冷卻水管道系統(tǒng)。這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包含數(shù)千英尺的管道，直徑從大到小不等，其功能是為核電站設(shè)備的冷卻提供可靠的供水。通常有一個(gè)非安全級(jí)操作系統(tǒng)和一個(gè)安全級(jí)緊急系統(tǒng)。非安全級(jí)管道系統(tǒng)必須提供足夠的冷卻水來(lái)進(jìn)行核電設(shè)備的正常冷卻。而安全級(jí)系統(tǒng)必須在緊急情況下，提供足夠的冷卻水使反應(yīng)堆處于受控狀態(tài)并將其安全關(guān)閉。上述這些系統(tǒng)所使用的管道材料，必須在設(shè)備的整個(gè)使用壽命期都能抗冷卻水的腐蝕。
根據(jù)核電站位置的不同，冷卻水的種類(lèi)從相對(duì)干凈的淡水到被污染的海水。因此，管道材料的腐蝕程度差別很大。經(jīng)驗(yàn)表明，隨著系統(tǒng)的老化，可能會(huì)出現(xiàn)各種腐蝕問(wèn)題，如果不加以解決，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害，阻礙其提供所需的冷卻水。
當(dāng)冷卻水管道出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通常涉及材料及其與冷卻水的相互作用。系統(tǒng)結(jié)垢（堵塞）和腐蝕造成的滲漏是最常見(jiàn)的問(wèn)題。以下情況常常會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢：沉積物聚積，海洋生物附著（生物污損），腐蝕產(chǎn)物積聚以及異物的堵塞。滲漏問(wèn)題通常是由于微生物腐蝕（MIC）所導(dǎo)致。MIC是一種侵蝕性很強(qiáng)的腐蝕形式，由水中的某些微生物引起。碳鋼和低合金化不銹鋼經(jīng)常發(fā)生這種形式的腐蝕。
碳鋼管道內(nèi)部的結(jié)垢/生物污損，是供水管道的典型問(wèn)題
在北美運(yùn)營(yíng)的大多數(shù)核電站過(guò)去都采用碳鋼管道系統(tǒng)，有時(shí)用水泥或橡膠涂覆或做襯里。由于存在可靠性的問(wèn)題，必須持續(xù)監(jiān)控，并且維護(hù)成本很高。因此，許多機(jī)組已經(jīng)用更耐腐蝕的材料替換了碳鋼管道。為滿(mǎn)足新核電站60年以上的設(shè)計(jì)壽命，將考慮使用性能更好的材料。
不銹鋼一直被認(rèn)為是建造新的供水管道系統(tǒng)以及維修或更換現(xiàn)有碳鋼系統(tǒng)的可行方案。管道升級(jí)方案中常用的不銹鋼為304L、316L或6％Mo不銹鋼。而316L和6％Mo不銹鋼兩者性能和價(jià)格差距較大。如果冷卻介質(zhì)是未經(jīng)處理的水，腐蝕性較強(qiáng)且有微生物腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，則304L和316L并非適當(dāng)?shù)倪x擇。因此，核電站不得不升級(jí)為6％Mo不銹鋼或接受碳鋼系統(tǒng)高昂的維護(hù)成本。一些核電站仍然使用碳鋼襯里管道，因?yàn)槌跏汲杀据^低。
根據(jù)ASTM A240，工業(yè)供水管道系統(tǒng)常用不銹鋼的化學(xué)成分范圍（重量％）
杜克電力公司位于美國(guó)南卡羅來(lái)納州的卡托巴核電站是第一家在其系統(tǒng)中使用2205（UNS S32205）雙相不銹鋼的核電站。該牌號(hào)含有約3.2％的鉬，耐腐蝕性能提高，并且耐微生物腐蝕的性能顯著優(yōu)于304L和316L不銹鋼。將補(bǔ)給水輸送到主冷凝器冷卻塔的管道系統(tǒng)，其地上部分的碳鋼襯里管道被更換為2205雙相不銹鋼管道。
新更換的2205雙相不銹鋼管道安裝于2002年。管道長(zhǎng)度60米，直徑為76.2厘米和91.4厘米，管道壁厚為0.95厘米。該系統(tǒng)按照ASME B31.1 動(dòng)力管道規(guī)范案例153建造。該規(guī)范是電廠管道系統(tǒng)安全使用的管理規(guī)范之一，在世界上被廣泛使用。
卡托巴核電站安裝的大口徑2205雙相不銹鋼管道
在管道使用500天后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了徹底檢查。檢查中發(fā)現(xiàn)沒(méi)有結(jié)垢或腐蝕跡象，2205雙相不銹鋼性能表現(xiàn)非常好。自安裝以來(lái)的十多年時(shí)間里，2205不銹鋼管道一直表現(xiàn)良好。基于這種經(jīng)驗(yàn)，杜克電力公司已在其系統(tǒng)的其他部分使用2205雙相不銹鋼管道。
使用500天后，2205管道的內(nèi)部。去除表面污漬后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊縫的腐蝕
現(xiàn)在，核電站供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員在選擇耐腐蝕性冷卻水的管道材料時(shí)，又多了一個(gè)選擇。2205雙相不銹鋼的成功應(yīng)用，可降低維護(hù)成本，減少停機(jī)時(shí)間并確保核電站的運(yùn)行安全。
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