李光福 上海材料研究所教授級(jí)高級(jí)工程師，上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腐蝕實(shí)驗(yàn)室主任

    一、威力巨大的核電將長(zhǎng)期為人類發(fā)展做出顯著貢獻(xiàn)，防腐蝕是關(guān)鍵之一

    20 世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)舉之一就是征服和有效利用核能，包括核能發(fā)電，其已開發(fā)成為大規(guī)模利用的能源，世界主流核電站運(yùn)行的是 60 ～ 140 萬(wàn)千瓦的大型機(jī)組，威力巨大。電力消費(fèi)水平是當(dāng)今一個(gè)國(guó)家或者地區(qū)發(fā)展程度的重要標(biāo)志，核能發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家電力供應(yīng)的主要形式之一，在美國(guó)和法國(guó)等國(guó)占總發(fā)電量高達(dá) 20 ～ 80%。我國(guó)正在積極發(fā)展核電工業(yè)，不久將成為世界上核電機(jī)組最多的幾個(gè)國(guó)家之一，根據(jù)國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃，2020 年全國(guó)核電裝機(jī) 5800 萬(wàn)千瓦、在建 3000 萬(wàn)千瓦以上，2030 年全國(guó)核電裝機(jī)將超過(guò) 1.2 億千瓦，核電發(fā)電量占全社會(huì)用電量 10%左右。圖 1 和圖 2 示出美國(guó)和我國(guó)核電站分布圖。

圖1 美國(guó)110多個(gè)核電機(jī)組分布圖

圖2 我國(guó)核電站分布圖

    目前能不受自然條件約束的可控大規(guī)模發(fā)電方式首推燃煤燃油燃?xì)獾幕痣姾屠煤肆炎冡尫拍艿暮穗姡痣妿?lái)明顯的環(huán)境污染和溫室氣體排放，盡管核電發(fā)生過(guò)美國(guó)三里島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利和日本福島三起重大事故而受到不小爭(zhēng)議，但還是被廣泛認(rèn)為是能有效解決能源需求增長(zhǎng)與化石燃料消費(fèi)帶來(lái)溫室效應(yīng)和污染問(wèn)題的少數(shù)答案之一。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）預(yù)計(jì)，2030 年全球核電裝機(jī)容量將高達(dá) 435722 GWe，因此可以認(rèn)為威力巨大的核電將長(zhǎng)期為人類發(fā)展做出顯著貢獻(xiàn)。然而核電的這些發(fā)展需要防腐科技保駕護(hù)航。

    二、核電工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上富有特色的腐蝕問(wèn)題

    雖然核電工業(yè)里的金屬材料的腐蝕形式與其它種種工業(yè)領(lǐng)域里的基本類似，有全面腐蝕和局部腐蝕，局部腐蝕有應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等，但是它涉及面寬，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，除去涉及的大量通用設(shè)備的各種常見腐蝕問(wèn)題外，具有核電工業(yè)特色的腐蝕問(wèn)題也很繁多，比如：

    核燃料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題：核工業(yè)主要采用的核燃料鈾以及钚在礦石開采、化學(xué)處理、精制濃縮等過(guò)程中，需要使用大量的酸、堿、鹽類化學(xué)物質(zhì)，中間過(guò)程也產(chǎn)生某些活潑產(chǎn)物如六氟化鈾，它們對(duì)所接觸設(shè)備都有不同程度的腐蝕性。

    核燃料在使用和存放過(guò)程中產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題：核燃料在核電站里使用的裂變過(guò)程中，要放出射線、射線、射線、中子流等射線，還有質(zhì)子流等帶電的重粒子流。這些射線可通過(guò)影響環(huán)境介質(zhì)、周圍材料和電極過(guò)程等促進(jìn)周圍材料的腐蝕。例如在射線作用下，純水會(huì)發(fā)生輻照分解，比較穩(wěn)定從而在實(shí)際工作中容易測(cè)量的產(chǎn)物主要是分子產(chǎn)物，如 H 2 O 2 和 O 2 ，它們可以明顯提高金屬材料在水中的電極電位，促進(jìn)氧去極化的腐蝕。高能量中子輻照可導(dǎo)致材料產(chǎn)生空位、位錯(cuò)環(huán)和原子偏聚等缺陷，導(dǎo)致材料硬化、腐蝕破裂和腫脹等問(wèn)題，工程上一個(gè)重要現(xiàn)象是堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼在中子輻照作用下發(fā)生晶界 Cr 貧化、Ni等元素集聚，導(dǎo)致沿晶應(yīng)力腐蝕破裂，稱為輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕破裂。核燃料本身在使用和存放環(huán)境中也有腐蝕問(wèn)題。

    使用后的乏燃料等放射性核廢料產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題：核燃料在核電系統(tǒng)的反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)過(guò)運(yùn)行使用后成為乏燃料，它以及核電產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)生的許多廢物都有放射性，這些放射性核廢料泄露會(huì)產(chǎn)生重大損失，因此對(duì)存放它們的容器提出非常高的要求，其腐蝕抗力尤為關(guān)鍵，美國(guó)為安全存放大量核廢料數(shù)千年，一直計(jì)劃在內(nèi)華達(dá)州尤卡山建立一座永久性的核廢料處置場(chǎng)，該計(jì)劃耗資巨大，核廢料容器的腐蝕與長(zhǎng)期防護(hù)就是關(guān)鍵一項(xiàng)。

    核電站堆芯部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料接觸特有的反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)如高溫高壓水、鈉、鉛、熔鹽等環(huán)境而產(chǎn)生特有的腐蝕問(wèn)題：比如目前核電工業(yè)中占絕大多數(shù)的是作為第二代和第三代的水堆，它們采用高溫高壓水為冷卻劑將核反應(yīng)產(chǎn)生的熱帶走發(fā)電；第四代正在研究開發(fā)的兩種快堆分別采用鈉和鉛為冷卻劑，釷燃料增殖反應(yīng)堆（又稱熔鹽堆）采用熔融態(tài)的混合鹽為冷卻劑。

    三、核電站的腐蝕防護(hù)

    核電站是核電產(chǎn)業(yè)鏈上最炫麗的寶石，其特點(diǎn)是是高安全可靠性要求、高投資、高回報(bào)、長(zhǎng)壽命等，使得至始至終都會(huì)自然發(fā)生的工程材料腐蝕防護(hù)成為關(guān)鍵問(wèn)題之一。 核電站外表看通常是建在的依山伴海之地，線條簡(jiǎn)練明快、風(fēng)景如畫，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料及其涉及的服役環(huán)境種類眾多，見圖 3 和圖4，腐蝕問(wèn)題也就多種多樣。

圖3 通常建在依山伴海之地的核電站，線條簡(jiǎn)練明快、風(fēng)景如畫

圖4 壓水堆核電站典型結(jié)構(gòu)及材料簡(jiǎn)示圖，實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腐蝕防護(hù)問(wèn)題多種多樣

    比如世界和我國(guó)的主流堆型壓水堆核電站，一座這樣的核電站有數(shù)百個(gè)系統(tǒng)、幾萬(wàn)臺(tái)（套）設(shè)備，按結(jié)構(gòu)位置可分為核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備與 BOP（核電站配套子項(xiàng)）設(shè)備三大類，按照設(shè)備服役工況或使用功能的不同，可分為核一級(jí)、核二級(jí)、核三級(jí)和非核級(jí)。核電設(shè)備的質(zhì)量與可靠性，決定了核電的安全性和經(jīng)濟(jì)性。材料在核電站中有極其重要的作用，在不同位置材料的服役環(huán)境不同。作為核電站核心的核島主設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、主管道、主泵等，是防止反應(yīng)堆放射性外泄的第一道屏障，可靠性要求最高。由于長(zhǎng)期在高溫、高壓和強(qiáng)輻射場(chǎng)條件下工作，對(duì)核電關(guān)鍵材料的要求也最嚴(yán)格，大量采用鋯合金、奧氏體不銹鋼、鎳基合金和低合金鋼等材料。常規(guī)島設(shè)備和 BOP 設(shè)備材料主要為碳鋼和低合金鋼等，通常與放射性外泄關(guān)系不大，但腐蝕問(wèn)題也會(huì)影響核電站的正常運(yùn)行，另外由于核電的高度政治敏感性，一旦發(fā)生事故，即使與核安全無(wú)關(guān)，也會(huì)在社會(huì)上產(chǎn)生巨大反響。可以說(shuō)材料及其腐蝕防護(hù)在核工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

    壓水堆核電站在數(shù)十年的研發(fā)和運(yùn)行中，已經(jīng)發(fā)生過(guò)多種多樣的腐蝕失效。其中一個(gè)典型是發(fā)生在核島一回路和二回路系統(tǒng)里的高溫高壓水腐蝕破裂，它具有國(guó)際普遍意義、影響大、時(shí)間長(zhǎng)，表現(xiàn)為幾個(gè)重要腐蝕防護(hù)問(wèn)題如下：

圖5 蒸汽發(fā)生器傳熱管上各種失效形式和位置

    莊蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕失效與防護(hù)：圖 5 示出蒸汽發(fā)生器傳熱管上各種失效形式和位置。西方國(guó)家核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽發(fā)生器實(shí)際壽命明顯低于設(shè)計(jì)壽命，大約 90％的損壞是因?yàn)楦g引起的，尤其是傳熱管的應(yīng)力腐蝕破裂。人們?cè)诟g破裂事件、規(guī)律和改進(jìn)方法上已做了大量工作，研究表明每種情況下應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件都是敏感材料、高于某臨界值的應(yīng)力或應(yīng)變、特定水化學(xué)環(huán)境三者的組合，相應(yīng)的破裂消除方法也逐漸被開發(fā)出來(lái)；

    鎳基焊材的異種金屬焊接件的腐蝕破裂與防護(hù)：90年度以來(lái)，西方國(guó)家壓水堆核電站發(fā)生了一系列該類焊接件在一回路高溫水中的應(yīng)力腐蝕破裂事件，主要是采用 600 類型鎳基合金的 182 以及 82 焊接材料的場(chǎng)合，典型案例如圖 6，現(xiàn)在已基本都改為采用破裂抗力顯著提高的 690 類型鎳基合金如 52、52M 和 152 等焊接材料；

圖6 2000年在美國(guó)V.C.Summer核電站安全端鎳基焊縫上發(fā)現(xiàn)的腐蝕破裂

    承受輻照的核燃料包殼和堆內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕破裂與防護(hù)：它們?cè)诳量痰沫h(huán)境中服役，一方面接觸一回路的高溫高壓水冷卻劑，由于在射線作用下，水會(huì)發(fā)生輻照分解，產(chǎn)生 H 2 O 2 和 O 2 等，它們可以明顯提高金屬材料在水中的電極電位，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕破裂。另一方面，這些構(gòu)件承受中子的輻照，高能量中子輻照可導(dǎo)致材料產(chǎn)生空位、位錯(cuò)環(huán)和原子偏聚等缺陷，導(dǎo)致材料硬化、腐蝕破裂和腫脹等問(wèn)題，特別是堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼在中子輻照作用下發(fā)生的輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕破裂（IASCC），如圖 7；

    低合金鋼和碳鋼部件的腐蝕與防護(hù)：這可大致分成兩種典型情況，一種是核島內(nèi)某些耐蝕防護(hù)層破裂導(dǎo)致低合金鋼接觸高溫水發(fā)生腐蝕，典型案例是在座落于美國(guó)俄亥俄州戴維斯 - 貝斯核電站（如圖 8），另一種是在常規(guī)島部分通常就接觸高溫水的碳鋼構(gòu)件發(fā)生的流動(dòng)加速腐蝕，2004 年曾在日本美浜核電站導(dǎo)致傷亡事故；四、與時(shí)俱進(jìn)的防腐蝕科技為核電站保駕護(hù)航、也為腐蝕科學(xué)注入新鮮血液縱觀核電 60 多年來(lái)，從探索性的第一代到目前大量運(yùn)行的第二代和大量在建的第三代，到正在研發(fā)的第四代的宏偉發(fā)展史，其中就包含著各國(guó)眾多腐蝕防護(hù)科技工作者持之以恒的應(yīng)對(duì)各種腐蝕挑戰(zhàn)及其問(wèn)題演變、克服困難，在科學(xué)探索和工程應(yīng)用都取得顯著成就的奮斗史。也可以說(shuō)正是由于與時(shí)俱進(jìn)的防腐蝕科技的保駕護(hù)航，核電才能發(fā)展到目前的水平。

圖8 2002年3月在美國(guó)戴維斯-貝斯核電站發(fā)現(xiàn)的低合金鋼腐蝕坑及位置示意圖

    就核電站而言，各國(guó)眾多腐蝕防護(hù)科技工作者針對(duì)各種問(wèn)題做了大量失效分析和研究，相關(guān)材料和服役條件也已得到很大改進(jìn)，比如常用不銹鋼從普通級(jí)演變?yōu)楹思?jí)，主流蒸汽發(fā)生器傳熱管從不銹鋼演變到鎳基合金，鎳基合金從 600系列演變到 690 系列，高溫水化學(xué)也有了很大改善，改進(jìn)顯微組織和殘余應(yīng)力的種種方法被開發(fā)出來(lái)，構(gòu)件的壽命和安全可靠性有了顯著提高。

    這方面已取得的大量科研成果也豐富和發(fā)展了腐蝕與防護(hù)科學(xué)，比如在高溫高壓水應(yīng)力腐蝕破裂方面，就成功開發(fā)出了高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測(cè)控技術(shù)和裂紋尖端采樣分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)腐蝕裂紋微小擴(kuò)展的精密技術(shù)、發(fā)展了關(guān)于各種腐蝕失效的理論包括滑移-溶解學(xué)說(shuō)及定量模型、內(nèi)氧化學(xué)說(shuō)和微孔洞學(xué)說(shuō)等，有的已建立了內(nèi)在物理意義明確、邏輯嚴(yán)密的定量模型。

    隨著我國(guó)核電的發(fā)展，我國(guó)腐蝕防護(hù)科技工作者也將在相關(guān)科學(xué)和工程技術(shù)上做出重要貢獻(xiàn)。

    ●  人物簡(jiǎn)介

    李光福，上海材料研究所教授級(jí)高級(jí)工程師，上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腐蝕實(shí)驗(yàn)室主任。中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)能源工程委員會(huì)委員、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)氫脆及應(yīng)力腐蝕專業(yè)委員會(huì)委員、上海腐蝕科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、期刊《腐蝕與防護(hù)》副主編和編委會(huì)編委、中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)材料專業(yè)委員會(huì)委員、上海高校電力腐蝕控制與應(yīng)用電化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、國(guó)際輕水堆核電站材料環(huán)境促進(jìn)破裂合作組織上海材料研究所代表、世界材料研究所論壇上海材料研究所代表。主要從事金屬材料腐蝕與破裂方面的研究和工業(yè)服務(wù)。在核電材料腐蝕破裂問(wèn)題方面，負(fù)責(zé)完成了國(guó)家能源局核電專項(xiàng)和科技部 973 重點(diǎn)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目中的若干課題、上海市科委若干項(xiàng)目、以及來(lái)自于相關(guān)工業(yè)界的若干研究和工業(yè)服務(wù)項(xiàng)目。在高壓埋地管線材料腐蝕破裂問(wèn)題方面，作為主要負(fù)責(zé)人員完成了國(guó)家 973 重點(diǎn)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目《材料的環(huán)境行為與失效機(jī)理》中子課題《材料環(huán)境失效的壽命預(yù)測(cè)》的分項(xiàng)、上海市科委項(xiàng)目《燃?xì)廨斔凸芫W(wǎng)材料應(yīng)力腐蝕破裂的預(yù)測(cè)與控制》和《西氣東輸用高壓管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂及其控制》，以及來(lái)自于相關(guān)工業(yè)界的研究和工業(yè)服務(wù)項(xiàng)目。