核电厂重要设备材料典型腐蚀损伤案例

2016-07-29 11:55:26 作者：张兴田来源：中核核电运行管理有限公司分享至：

    换料水池钢覆面氯离子穿晶应力腐蚀开裂

    1.基本情况

    反应堆换料水池钢覆面由304L不锈钢焊接而成，厚度3mm。环形槽位于反应堆堆腔，环形槽内圈的密封环与压力容器突沿相连，外圈为J形槽（为换料水池钢覆面的一部分），通过不锈钢支撑环与密封环连接形成环形槽。在反应堆换料期间，换料水池充入停堆含硼水，换料结束后将含硼水排空并进行冲洗和烘干等操作；反应堆正常运行期间换料水池处于无水干燥状态。

    在秦山二期1号机组109换料大修期间换料水池充水后发现钢覆面的引漏管有水；液体渗透检查（PT检查）和反渗透法（只用PT渗透剂）均检出J形槽和其它部位的钢覆面焊缝、热影响区多处存在裂纹。反馈到2号机组，在2号机组208换料大修期间对换料水池钢覆进行检查，发现存在类似缺陷。

    2.试验分析

    对切割取样的J型槽钢覆面进行化学成分分析、室温拉伸试验，对缺陷部位进行附着物扫的描电镜及能谱（SEM/EDS）分析，断口SEM/EDS分析、截面金相（OM）分析、X射线衍射法残余应力测试。分析结果显示，附着物主要为硅酸盐，含有氯元素；在接触混凝土侧的残余应力为5.4MPa~6.1MPa的拉应力；裂纹为穿晶扩展，在金相显微镜观察下可见树枝状裂纹形貌（如图1所示），裂纹断口上覆盖大量泥状花样腐蚀产物，腐蚀产中氯含量高，裂纹断口可见大量河流花样和鱼骨状花样，裂纹断口表现为脆性解理断裂，在裂纹尖端存在氯，断口中Cl含量高达0.32%。根据以上结果，判定换料水池钢覆面缺陷的失效类型为典型的不锈钢应力腐蚀开裂。

图1 裂纹的显微形貌

    与换料水池钢覆面接触的混凝土添加剂由氯-偏共聚乳液（氯以有机物形式存在）替代了丙烯酸树脂含水乳化液或苯乙烯含水乳化液。参考具有相同官能团（~CH2-CH-Cl）的聚氯乙烯在高能射线辐照下的降解过程及机理，在中子射线及γ射线辐照下，氯-偏共聚乳液会产生HCl，HCl遇水电解形成Cl-促使不锈钢覆面发生氯离子应力腐蚀开裂。在施工中没有按照技术要求涂防尘防护油漆，使防水层沙浆中分解出来的氯会直接与不锈钢覆面接触，加速了应力腐蚀开裂进程。

    射线检验插塞晶间应力腐蚀开裂

    1.基本情况

    为在核电厂管道安装期间实施环对接焊缝中心曝光射线照相检查，设计有拆卸式射线检验插塞导源（运行期间的在役检查不使用）。插塞与管道插塞孔采用螺纹连接，外部采用密封焊缝（插塞焊缝）。

    插塞焊缝其中有些属于核级焊缝，如余热排出系统（RRA）和安全注入系统（RIS）管道上的插塞焊缝为核1级，VVP（主蒸汽）管道上的为核2级。

    2012年秦山二期1号机组110换料大修期间对RRA插塞焊缝（焊缝编号M13）实施PT检查，在插塞孔周边管道母材上检出5处线性显示。M13属核1级，工艺管道材质Z2CND18-12（控氮）、规格323.9mm×28.58mm，插塞孔规格M27mm×1.5mm。现场取样进行材料失效分析，并增加了插塞孔模拟加工及测试、插塞孔局部应力分布有限元分析等分析项目。

    2.试验分析

    插塞孔内螺纹和插塞外螺纹基本被磨平，表明存在过盈配合。断口存在大量分布不均匀的腐蚀产物。管材截面裂纹起源于插塞孔附近，沿晶扩展，在裂纹中部及尖端可见少量分支形态的微裂纹，其扩展方式同样为沿晶扩展，如图2所示。插塞截面裂纹扩展方式与管材相同。插塞孔模拟加工及硬度测试结果表明插塞孔处管材和插塞局部发生了应变-硬化。插塞孔应力分布及大小计算结果显示在插塞和插塞孔过盈配合情况下进行焊接，在插塞孔近外表面处应力最高。

图2.jpg

图2 管材截面裂纹尖端显微形貌

    根据以上结果，判定插塞孔处管材和插塞裂纹处存在较大的应变-硬化，导致晶间应力腐蚀裂纹的萌生和扩展。

    从国内外核电厂多起失效案例来看，非敏化不锈钢晶间应力腐蚀开裂部件的共同点是部件或部件局部发生了应变-硬化。在管材及插塞基材显微组织中未观察到滑移带，表明材料的真应变小于12%，即插塞和管材的局部应变引起的加工硬化机制为位错强化。PWR核电厂一回路水中氧和参与化学反应的合金元素快速反应，其生成的氧化物由于体积膨胀和对位错运动的阻碍使得晶界处应力进一步集中，最后导致晶界强度降低，裂纹以沿晶扩展的方式发展。

    热交换器钛板海水液固两相流冲刷腐蚀

    1.基本情况

    秦山二期核电机组投入商业运行后，常规岛闭式冷却水系统（SRI系统，除盐水）与设备辅助冷却水系统（SEN系统，海水）的板式热交换器（简称SRI/SEN板式热交换器）频繁发生因钛板穿孔和钛板橡胶密封垫失效引起的海水泄漏故障，钛板的海水进口区和导流区局部减薄。因故障频发，维修费用高昂，折合成设备费用相当于其使用寿命只有三年。

    2.试验分析

    RCA分析结论：直接原因是海水液固两相流冲刷腐蚀（erosion-corrosion，腐蚀性磨损）；根本原因是针对秦山二期SEN系统的特定海水水质，板间流速设计值过高，在钛板海水进口区和分流区范围的海水流速位于冲刷腐蚀门坎速度值下限附近，海水悬浮物和泥沙沉积形成的局部堵塞使局部流速进一步增大，在流速高于门坎速度值的局部区域，冲刷腐蚀导致钛板减薄直至穿孔。

    3.4 主给水管道流动加速腐蚀（FAC）

    1.基本情况

    2012年3月1号机组109大修期间对二回路部分管线进行了管壁超声波测厚，发现两台APA（主给水泵系统）前置泵后的第一个弯头和两台主给水流量调节阀后的直管段发生了壁厚减薄超标，随即对此这两个弯头和两个管段实施了更换处理。

    弯头和阀后直管段的规格、材质和给水流速分别为Φ406mm×11mm/ST45.8-Ⅲ/5.5m/s，Φ406.4mm×23.83mm/TU48C（RCCM-M1141）/5.1m/s，运行水温分别为149℃、230℃，实测壁厚分别为6.9mm~8.2mm、16.8mm~18mm。

    2.试验分析

    对更换下的弯头和直管段均取样进行材质分析、宏观形貌和横截面金相观察、减薄区表面物相分析、扫描电镜微观形貌分析和有限元流体模拟分析。虽然弯头和阀后直管段材质实测化学成分均符合规范要求，但Cr含量仅分别为0.01wt％、0.025wt％。表面腐蚀产物为Fe3O4，无其它有害元素（如S、Cl）和物相。金相组织为正常的铁素体+渗碳体，微观形貌呈“马蹄坑”状，在高倍下均发现每个“马蹄坑”底部存在不同程度的氧化膜破裂形貌，呈旋涡状发展，表明在流体作用下基体表面氧化膜不断地溶解与再生成，流体在凹坑内应呈旋涡状，氧化膜破裂区也主要沿旋涡状分布于各凹坑内部，为典型的单相流FAC形貌。