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的問題。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題
在北美運(yùn)營的大多數(shù)核電站過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南卡羅來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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