某核电厂海水管道砂浆衬里长期服役性能综合评价

2026-10-29 15:18:22 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

砂浆内衬是钢制海水管道常用的内腐蚀防护手段。施工流程为钢管内壁除锈预处理后分层浇筑砂浆成型并养护保护层，依托砂浆形成的高碱性环境，可使碳钢表面生成稳定钝化膜，从而隔绝海水腐蚀介质。该内衬工艺具备绿色无毒、施工便捷、工程造价低、全线无补口缺陷等优势，已在国内外核电、市政海水输送管线中大规模推广应用。

本文研究对象为国内某核电厂海水输送管线，内衬采用 ANSI/AWWA C205标准规范的有机硅聚合物改性水泥砂浆，设计厚度为13mm，厚度允许偏差范围为11. 4~ 17. 8mm，聚合物类型为D505。现有工程案例显示，多座在运核电站海水管道砂浆衬里因长期海水流动剪切、介质侵蚀发生局部脱落，衬里破损后海水直接接触钢管基体，诱发管壁腐蚀穿孔泄漏故障。

该套海水管线已连续服役20年，为定量评判长期服役后砂浆内衬完整度、力学性能与微观劣化程度，本文系统开展内衬厚度统计、强度检测、宏观缺陷目视检查、微观形貌与元素分析，揭示多因素耦合劣化机理，以期为同类核电海水管线内衬运维、缺陷修复提供工程参考。

1. 砂浆衬里全维度检测与结果分析

1. 1 内衬厚度分布规律检测

检测取样标准：沿管线走向每10m设置1组检测断面，每组环向均匀采集10个厚度测点，对全部测点数据开展统计分析，衬里厚度频数分布见图1。

图1 服役20a海水管道砂浆衬里厚度频数正态分布图

由统计结果可知，砂浆衬里实测厚度为7. 6~ 22.0 mm，厚度数据整体符合正态分布规律，样本统计具备代表性；绝大多数测点厚度落在11.4~17.8mm设计允许区间，仅局部冲刷区域厚度低于下限。

沿管线走向、管段几何形态对比厚度差异，衬里冲刷减薄呈现四类典型分布特征：(1)水平管道上部衬里厚度显著大于管底，管底同时承受海水横向紊流冲蚀及海水自重静压双重侵蚀，砂浆损耗速率更高；(2)管道弯头紊流区流速重新分配，流体动能损耗集中作用于弯管内衬表面，弯头位置衬里磨损减薄最为严重； (3)下行倾斜管道迎流上侧受海水持续斜向冲击，衬里厚度低于背流下侧；(4)随管线距进水口距离增大，流体沿程摩擦损耗持续累积，管线两侧衬里厚度同步呈现变薄趋势。

1.2 衬里抗压强度测试

选取管线上3段直管段，采用回弹法开展砂浆抗压强度检测，每个测点重复回弹16次，去掉3个最大值和 3个最小值后取算术平均值，并换算成抗压强度，结果如表1所示。

表1 不同管段砂浆衬里抗压强度测试结果

依据ANSI/AWWAC205标准，砂浆内衬完工后的初始抗压强度需不低于31MPa。三组测点强度全部满足现行规范服役最低限值，但与管线投产初期≥60MPa的基准强度相比，长期海水侵蚀、应力循环作用下衬里力学性能发生明显衰减。

1.3 内衬宏观缺陷目视探伤分析

全线目视与敲击探伤排查得到内衬典型宏观损伤类型 :

(1)弯头与管道末端等区域内壁多处附着藤壶、盘管虫、牡蛎等海洋生物，生物层阻隔衬里与介质界面，加剧局部介质滞留；

(2)前期修补砂浆界面出现贯通裂纹，裂纹处持续析出红褐色锈蚀产物；

(3)长期海水冲刷使衬里表层水泥浆形成粗糙毛面，管壁留存连续水印侵蚀纹路；

(4)裂纹分为两类：修补涂层的二次扩展裂纹、原生砂浆新生环形裂纹,裂纹整体沿管道环向分布，集中出现在管道上半周；

(5)敲击声学检测证实多处内衬存在空鼓缺陷。各类典型表面劣化形貌见图2。

图2 服役20a海水管道砂浆衬里宏观缺陷形貌

上述宏观缺陷演化逻辑为：长期海水紊流冲蚀持续提升衬里表面粗糙度与内部孔隙连通性，Cl^-、 SO₄^2-沿孔隙向内渗透，逐步削弱砂浆与钢管界面黏结力，衬里厚度同步减薄；裂纹、空鼓形成海水渗透通道，介质直接接触碳钢基体，加速基体腐蚀进程，从而影响砂浆衬里的保护功能。

1.4 衬里微观结构表征

采用 ZeissSigma300VP型扫描电镜开展背散射电子(BSE)形貌观测，配套能谱仪(EDS)完成微区点扫、面扫元素定量分析，表征服役后砂浆骨料-基体界面、内部孔裂纹与元素富集特征，微观形貌见图3。

图3 砂浆衬里样品BSE微观形貌

由BSE图像可见，服役20年后砂浆骨料与水化水泥基体界面过渡区完整，界面黏结性能保持良好，衬里仍具备阻隔海水直接接触钢管的屏障能力；但长期温度循环、海水化学侵蚀使基体内部生成大量微米级孔隙与贯穿微裂纹。微孔隙、微裂纹为海水侵蚀性离子提供扩散通道，随服役时间持续延长，缺陷连通后逐步演变为宏观空鼓与环向裂纹，是内衬性能退化的微观本质诱因。

衬里微区EDS点扫元素原子分数统计结果见表2,Ca、Si、Mg、Al为砂浆基体主要元素，同时检出少量Na、Cl、S等海水特征元素，证明海水中的氯盐、硫酸盐已渗入砂浆内部。衬里中Ca、Al元素面扫描分布见图4。Ca元素均匀分布于全部水化基体区域，Al元素局部富集区域主要对应钙矾石侵蚀产物生成位点。

表2 砂浆衬里微区EDS点扫元素原子分数

图4 砂浆衬里样品面扫描元素分布图

2 砂浆衬里劣化机理分析

D505有机硅聚合物改性水泥砂浆为有机-无机复合防护材料，制备阶段将有机硅聚合物分散液掺入普通水泥基砂浆，固化后形成互穿网络致密微观结构。砂浆中加入聚合物和有机硅，可促进“抗腐蚀层”的产生以延长衬里保护层寿命；有效防止Ca(OH)₂析出，阻止海水中氯化物、硫酸盐与其发生反应；增加砂浆层的透气性和砂浆表面的抗水性，在管中压力发生骤变时，能瞬间释放衬里和管壁之间的能量，从而防止衬里崩裂；聚合物膜的屏蔽作用和聚合物颗粒的填充作用有利于堵塞水泥砂浆中的大量孔隙，优化材料的微观结构，形成的互穿网络结构大幅提升了水泥砂浆衬里的密实度。

现场检测结果表明，聚合物改性砂浆整体微观结构致密，聚合物组分可有效优化基体密实度，但管道衬里仍出现局部减薄、表层剥落、贯穿裂纹并伴随基体锈蚀等劣化现象。主要原因在于：海水主流以及弯道涡流产生冲蚀、溶蚀复合作用，直接造成衬里壁厚损耗；同时砂浆表层持续析出钙铝硫酸盐类沉积物，在海水往复冲蚀作用下逐层剥落，加剧衬里劣化。管道安装时不可避免地碰撞、长期运行振动在衬里薄弱处诱发初始微裂纹，在海水冲刷和循环振动耦合作用下裂纹持续纵深扩展，最终形成贯穿性缺陷。

衬里剥落和裂纹深处形成狭小缝隙，海水渗入后对碳钢基体同步诱发缝隙腐蚀和电偶腐蚀。腐蚀初期，缝隙内外电极反应相同，均发生金属阳极溶解和氧阴极还原，生成的Fe²⁺和OH^-结合形成Fe (OH)₃沉淀；海水电导率高，Cl^-持续迁移维持电中性，推动基体持续溶解。衬里局部破损裸露碳钢时，会形成小阳极、大阴极的电偶腐蚀电池，大幅提升碳钢基体的腐蚀电流密度，快速引发管壁腐蚀并伴随红褐色锈水渗出。

3 结论

针对服役20年核电海水管线D505有机硅改性砂浆衬里开展厚度、强度、宏观缺陷、微观结构全维度检测评价，得到以下核心结论：

(1) 砂浆衬里实测厚度服从正态分布，绝大部分测点厚度处于11.4~17.8mm设计允许区间，仅局部冲刷区域厚度低于设计下限，整体厚度仍满足ANSI/AWWAC205规范服役要求：海水湍流机械冲刷是衬里厚度损耗的核心诱因。

(2) 砂浆衬里抗压强度为 38.5~45. 1MPa，高于标准最低限值31MPa，但相比建成初期≥60MPa基准强度发生明显衰减。

(3) 管线内壁附着海洋生物，伴随环向裂纹、表层剥落、内衬空鼓、锈水渗出等局部劣化缺陷，但未对管道砂浆衬里产生明显的结构性破坏，衬里整体防护屏障未完全失效。

(4) 微观表征显示砂浆骨料-水化基体界面黏结完整，但长期海水侵蚀与温度循环诱导内部微孔、微裂纹生成；SO₄^2-渗入衬里内部，生成钙矾石，是内衬性能退化的主要原因。

综合服役状态判定：该核电厂海水管道砂浆衬里当前无需全线整体翻新，但需对开裂、空鼓、厚度不合格等局部区域开展修补和修复，同步加强管线周期性壁厚、内衬缺陷跟踪检查，以保障后续长期安全运行。

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