換料水池鋼覆面氯離子穿晶應力腐蝕開裂


    1.基本情況


    反應堆換料水池鋼覆面由304L不銹鋼焊接而成，厚度3mm。環形槽位于反應堆堆腔，環形槽內圈的密封環與壓力容器突沿相連，外圈為J形槽（為換料水池鋼覆面的一部分），通過不銹鋼支撐環與密封環連接形成環形槽。在反應堆換料期間，換料水池充入停堆含硼水，換料結束后將含硼水排空并進行沖洗和烘干等操作；反應堆正常運行期間換料水池處于無水干燥狀態。


    在秦山二期1號機組109換料大修期間換料水池充水后發現鋼覆面的引漏管有水；液體滲透檢查（PT檢查）和反滲透法（只用PT滲透劑）均檢出J形槽和其它部位的鋼覆面焊縫、熱影響區多處存在裂紋。反饋到2號機組，在2號機組208換料大修期間對換料水池鋼覆進行檢查，發現存在類似缺陷。


    2.試驗分析


    對切割取樣的J型槽鋼覆面進行化學成分分析、室溫拉伸試驗，對缺陷部位進行附著物掃的描電鏡及能譜（SEM/EDS）分析，斷口SEM/EDS分析、截面金相（OM）分析、X射線衍射法殘余應力測試。分析結果顯示，附著物主要為硅酸鹽，含有氯元素；在接觸混凝土側的殘余應力為5.4MPa~6.1MPa的拉應力；裂紋為穿晶擴展，在金相顯微鏡觀察下可見樹枝狀裂紋形貌（如圖1所示），裂紋斷口上覆蓋大量泥狀花樣腐蝕產物，腐蝕產中氯含量高，裂紋斷口可見大量河流花樣和魚骨狀花樣，裂紋斷口表現為脆性解理斷裂，在裂紋尖端存在氯，斷口中Cl含量高達0.32%。根據以上結果，判定換料水池鋼覆面缺陷的失效類型為典型的不銹鋼應力腐蝕開裂。

圖1  裂紋的顯微形貌

 

    與換料水池鋼覆面接觸的混凝土添加劑由氯-偏共聚乳液（氯以有機物形式存在）替代了丙烯酸樹脂含水乳化液或苯乙烯含水乳化液。參考具有相同官能團（~CH2-CH-Cl）的聚氯乙烯在高能射線輻照下的降解過程及機理，在中子射線及γ射線輻照下，氯-偏共聚乳液會產生HCl，HCl遇水電解形成Cl-促使不銹鋼覆面發生氯離子應力腐蝕開裂。在施工中沒有按照技術要求涂防塵防護油漆，使防水層沙漿中分解出來的氯會直接與不銹鋼覆面接觸，加速了應力腐蝕開裂進程。


    射線檢驗插塞晶間應力腐蝕開裂


    1.基本情況


    為在核電廠管道安裝期間實施環對接焊縫中心曝光射線照相檢查，設計有拆卸式射線檢驗插塞導源（運行期間的在役檢查不使用）。插塞與管道插塞孔采用螺紋連接，外部采用密封焊縫（插塞焊縫）。


    插塞焊縫其中有些屬于核級焊縫，如余熱排出系統（RRA）和安全注入系統（RIS）管道上的插塞焊縫為核1級，VVP（主蒸汽）管道上的為核2級。


    2012年秦山二期1號機組110換料大修期間對RRA插塞焊縫（焊縫編號M13）實施PT檢查，在插塞孔周邊管道母材上檢出5處線性顯示。M13屬核1級，工藝管道材質Z2CND18-12（控氮）、規格323.9mm×28.58mm，插塞孔規格M27mm×1.5mm。現場取樣進行材料失效分析，并增加了插塞孔模擬加工及測試、插塞孔局部應力分布有限元分析等分析項目。


    2.試驗分析


    插塞孔內螺紋和插塞外螺紋基本被磨平，表明存在過盈配合。斷口存在大量分布不均勻的腐蝕產物。管材截面裂紋起源于插塞孔附近，沿晶擴展，在裂紋中部及尖端可見少量分支形態的微裂紋，其擴展方式同樣為沿晶擴展，如圖2所示。插塞截面裂紋擴展方式與管材相同。插塞孔模擬加工及硬度測試結果表明插塞孔處管材和插塞局部發生了應變-硬化。插塞孔應力分布及大小計算結果顯示在插塞和插塞孔過盈配合情況下進行焊接，在插塞孔近外表面處應力最高。

 

   圖2  管材截面裂紋尖端顯微形貌

 

    根據以上結果，判定插塞孔處管材和插塞裂紋處存在較大的應變-硬化，導致晶間應力腐蝕裂紋的萌生和擴展。


    從國內外核電廠多起失效案例來看，非敏化不銹鋼晶間應力腐蝕開裂部件的共同點是部件或部件局部發生了應變-硬化。在管材及插塞基材顯微組織中未觀察到滑移帶，表明材料的真應變小于12%，即插塞和管材的局部應變引起的加工硬化機制為位錯強化。PWR核電廠一回路水中氧和參與化學反應的合金元素快速反應，其生成的氧化物由于體積膨脹和對位錯運動的阻礙使得晶界處應力進一步集中，最后導致晶界強度降低，裂紋以沿晶擴展的方式發展。


    熱交換器鈦板海水液固兩相流沖刷腐蝕


    1.基本情況


    秦山二期核電機組投入商業運行后，常規島閉式冷卻水系統（SRI系統，除鹽水）與設備輔助冷卻水系統（SEN系統，海水）的板式熱交換器（簡稱SRI/SEN板式熱交換器）頻繁發生因鈦板穿孔和鈦板橡膠密封墊失效引起的海水泄漏故障，鈦板的海水進口區和導流區局部減薄。因故障頻發，維修費用高昂，折合成設備費用相當于其使用壽命只有三年。


    2.試驗分析


    RCA分析結論：直接原因是海水液固兩相流沖刷腐蝕（erosion-corrosion，腐蝕性磨損）；根本原因是針對秦山二期SEN系統的特定海水水質，板間流速設計值過高，在鈦板海水進口區和分流區范圍的海水流速位于沖刷腐蝕門坎速度值下限附近，海水懸浮物和泥沙沉積形成的局部堵塞使局部流速進一步增大，在流速高于門坎速度值的局部區域，沖刷腐蝕導致鈦板減薄直至穿孔。


    3.4  主給水管道流動加速腐蝕（FAC）


    1.基本情況


    2012年3月1號機組109大修期間對二回路部分管線進行了管壁超聲波測厚，發現兩臺APA（主給水泵系統）前置泵后的第一個彎頭和兩臺主給水流量調節閥后的直管段發生了壁厚減薄超標，隨即對此這兩個彎頭和兩個管段實施了更換處理。


    彎頭和閥后直管段的規格、材質和給水流速分別為Φ406mm×11mm/ST45.8-Ⅲ/5.5m/s，Φ406.4mm×23.83mm/TU48C（RCCM-M1141）/5.1m/s，運行水溫分別為149℃、230℃，實測壁厚分別為6.9mm~8.2mm、16.8mm~18mm。


    2.試驗分析


    對更換下的彎頭和直管段均取樣進行材質分析、宏觀形貌和橫截面金相觀察、減薄區表面物相分析、掃描電鏡微觀形貌分析和有限元流體模擬分析。雖然彎頭和閥后直管段材質實測化學成分均符合規范要求，但Cr含量僅分別為0.01wt％、0.025wt％。表面腐蝕產物為Fe3O4，無其它有害元素（如S、Cl）和物相。金相組織為正常的鐵素體+滲碳體，微觀形貌呈“馬蹄坑”狀，在高倍下均發現每個“馬蹄坑”底部存在不同程度的氧化膜破裂形貌，呈旋渦狀發展，表明在流體作用下基體表面氧化膜不斷地溶解與再生成，流體在凹坑內應呈旋渦狀，氧化膜破裂區也主要沿旋渦狀分布于各凹坑內部，為典型的單相流FAC形貌。

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責任編輯：王元

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