淺析核設(shè)備表面銹蝕程度的評價方法

2013-12-11 00:33:38張樂福陳春雄

電站輔機(jī) 2013年4期

王彥，張樂福，陳春雄

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090）

0 概述

隨著我國核電發(fā)展計劃的制定，國內(nèi)核電設(shè)備市場已進(jìn)入快速增長的上升通道。根據(jù)國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃和《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005－2020年）》，預(yù)計到2020年，我國核電裝機(jī)容量將達(dá)到7 500萬千瓦以上，在建的核電裝機(jī)容量將達(dá)4 000萬千瓦。在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，我國將是世界核電在建裝機(jī)容量最大的國家。

目前，我國已建成的11臺核電機(jī)組，處于多種核電技術(shù)共存的狀態(tài)，其中既包括二代改進(jìn)型，也包括從美國、法國、加拿大及俄羅斯等國引進(jìn)的EPR、AP1000、CANDU以及高溫氣冷堆和我國自主設(shè)計的30萬和60萬千瓦機(jī)組。然而，正是因各系統(tǒng)和堆型采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工藝各不相同，所以，核電設(shè)備的制造標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行模式也呈多樣性，難以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。為加快核電法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，制定出自主化的我國核電設(shè)備設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)體系，不僅是核電安全管理和持續(xù)發(fā)展的需要，也是我國實現(xiàn)核設(shè)備自主設(shè)計及國產(chǎn)化的基礎(chǔ)。

現(xiàn)對核電制造行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行的各種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以控制核電設(shè)備清潔度的規(guī)定為例，提供對核島設(shè)備零部件及整機(jī)表面銹蝕程度進(jìn)行評價的思路。

1 銹蝕機(jī)理

核電站介質(zhì)主回路中的材料腐蝕，是主回路系統(tǒng)放射性增大的主要因素，也是所有部位元件表面結(jié)垢的根源。

運(yùn)行中各設(shè)備出現(xiàn)的故障，多數(shù)是由腐蝕引起的，如腐蝕引起蒸發(fā)器傳熱管泄漏，將造成反應(yīng)堆停堆檢修。各專用安全設(shè)備材料的突發(fā)性開裂，也是因死水段內(nèi)長期積累的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致開裂。許多腐蝕開裂的源頭便是設(shè)備表面的銹蝕斑。

在核設(shè)備投運(yùn)前，設(shè)備內(nèi)、外表面銹蝕斑的形成多為存留在設(shè)備表面的水經(jīng)蒸發(fā)后，致使水中鹽份濃度局部上升所致。這些表面水可以是設(shè)備出廠前沾染的水漬，或是留存在設(shè)備表面的水漬未經(jīng)拭干，也可能是由空氣中的水蒸氣凝結(jié)而成。如果是設(shè)備制造廠經(jīng)水壓試驗及沖洗后形成的水漬未被拭干，那么這些殘留水鹽份少，在短期內(nèi)尚不足以引起可見的銹蝕斑。如果是由于空氣中水蒸氣凝結(jié)形成的表面水分，引起銹蝕的風(fēng)險就會很大。

核設(shè)備投運(yùn)后，內(nèi)表面的接觸介質(zhì)與留存水漬不同，可見的腐蝕常為均勻腐蝕或者點(diǎn)蝕等。在役中，對內(nèi)表面的一般檢測為不可接觸。但無論是投運(yùn)前或投運(yùn)后，各國標(biāo)準(zhǔn)中對設(shè)備的表面銹蝕程度均有要求。

2 制造標(biāo)準(zhǔn)中對銹蝕程度的要求

直觀目視評價是所有銹蝕檢查方法中最常用的方法，是所有檢查的前提。在各種制造標(biāo)準(zhǔn)中均有涉及，但有些規(guī)定在實際操作中仍存有阻礙。

我國二代改進(jìn)型的核電站常按照法國RCCM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。在F6200標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)核島中系統(tǒng)的類型和工作流體類別，將核設(shè)備的清潔度等級劃分為A（A1、A21、A22、A23）、B、C級。控制的嚴(yán)格程度依次降低。

在F6300標(biāo)準(zhǔn)中，RCC－M在清潔度級別的基礎(chǔ)上，又規(guī)定了對表面銹蝕程度的目視評價方法、驗收準(zhǔn)則和適用范圍。

RCC－M規(guī)定的目視評價方法有三種：

A檢查：在不引起操作者目眩的情況下，在至少500lx的照度下（相當(dāng)100W燈泡距離工件30cm時的照度）對工件表面作目視檢驗。

Aa試驗：紫外光下對工件進(jìn)行目視檢驗（輻照線波長在3 500和4 000A之間）顯示有無油跡（油的顯示限值：4×10－6g／cm3）。

Ab試驗：使用5倍放大鏡對工件進(jìn)行目視檢驗。

RCC－M規(guī)定的目視驗收準(zhǔn)則有5種：

準(zhǔn)則1：工件表面無腐蝕產(chǎn)物和任何異物。

準(zhǔn)則2：工件金屬表面應(yīng)干凈。允許存在由母材或污染物形成的分散的氧化斑點(diǎn)（包括表面銹斑），但斑點(diǎn)累計面積小于總面積0.1%。

準(zhǔn)則3：同準(zhǔn)則2，但氧化斑點(diǎn)累計面積不超過1%。

準(zhǔn)則4：工件金屬雜物。允許表面附著有因短時期暴露大氣中形成的連續(xù)氧化薄膜。

不銹鋼工件表面：允許存在表面銹斑，但其累計面積應(yīng)小于總面積的1%。

碳鋼工件表面：允許存在局部或者整體的均勻薄膜銹蝕。

準(zhǔn)則5：碳鋼工件表面允許存在牢固附著的軋制皮，以及冷水沖洗不掉的油漆標(biāo)記。碳鋼和不銹鋼工件允許存在用鬃刷不能去除的銹蝕膜。

核電設(shè)備的清潔度級別，如表1所示。

表1 核電設(shè)備的清潔度級別

從表1可知，核島設(shè)備的表面清潔度檢查，最常用的驗收準(zhǔn)則為準(zhǔn)則1～4。除了準(zhǔn)則1要求無任何腐蝕產(chǎn)物外，其余準(zhǔn)則都有氧化斑點(diǎn)數(shù)面積率的要求，但標(biāo)準(zhǔn)中給出面積率的統(tǒng)計方式比較模糊。RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中既沒有規(guī)定面積率的統(tǒng)計基數(shù)，也沒有提供面積率統(tǒng)計的方法，那么在工程中其驗收準(zhǔn)則的執(zhí)行就將比較隨意，常為估計的一個數(shù)值。RCC－M標(biāo)準(zhǔn)在該驗收準(zhǔn)則中，給出了一定清潔度下的驗收數(shù)值，但未明確給出該數(shù)值的統(tǒng)計方法。

我國核工業(yè)總公司發(fā)布的壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備制造規(guī)范（EJ／T 1012－1996）基本上參照了法國RCC體系標(biāo)準(zhǔn)，所以也存在上述問題。同樣，在ASME III標(biāo)準(zhǔn)中也有類似的實施問題，ASME III允許制造商自行細(xì)化有關(guān)證明物項清潔度檢查與試驗的書面程序和細(xì)則（NQA－1分篇2.1 202.1）。

在NQA－1分篇2.1 301中，同樣也先將清潔度分為4級（A、B、C、D）。

在NQA－1分篇2.1 302中對各級清潔度提出了總的實施要求。

經(jīng)比較分析，可簡化成：

（1）A級：必須無任何形式的表面污染（類似于RCC的準(zhǔn)則1）。

（2）B級：對耐蝕合金、碳鋼和低合金鋼分散的銹斑均是允許的，但1平方英尺內(nèi)任何區(qū)域內(nèi)銹斑集合總量不超過2平方英寸（14cm2／1 000cm2）。

（3）C級：對耐蝕合金容許有分散的銹斑，但累計面積不超過100cm2／1 000cm2，對碳鋼和低合金鋼，接受可擦除的輕度均勻銹斑

（4）D級：允許在耐蝕合金、碳鋼和低合金鋼的表面上有銹層；在未加工的碳鋼和低合金鋼表面有硬刷難以刷掉的牢固氧化層。

這些規(guī)定中有明確的面積比，可操作性比RCCM標(biāo)準(zhǔn)要強(qiáng)，但ASME III雖然也對制造商提出了編寫檢查與試驗細(xì)則的要求，卻沒有給出量化的方法。

RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中包含對銹蝕做定量判定的要求，但未提供判別銹蝕率的方法。若隨意的以全表面積作基數(shù)，計算困難很大且最終所得的允許銹蝕面積亦很大，無形當(dāng)中放松了對核設(shè)備表面質(zhì)量的控制要求。實際上，RCC－M標(biāo)準(zhǔn)所給的銹蝕面積率，在工程實踐中只能是強(qiáng)調(diào)定性的結(jié)論，即銹與不銹，直接在工程操作中的隨意性較大。而在ASME III標(biāo)準(zhǔn)中，著重強(qiáng)調(diào)了對銹蝕的定量判定，雖然標(biāo)準(zhǔn)中引用了ASTM A380的條款做支撐，但A380中對目視檢驗沒有給出量化的方法。如何細(xì)化條款中的要求及評價銹蝕面積就值得商榷。現(xiàn)根據(jù)各國通用的檢測標(biāo)準(zhǔn)，為核級設(shè)備表面銹蝕的評價方法提供一些參考。

3 評價銹蝕程度的方法

參照目前施行的各國、各行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，綜合進(jìn)行銹蝕程度的評價，最基礎(chǔ)的方法就是標(biāo)準(zhǔn)樣片對照法。

（1）對碳素鋼、合金鋼和合金鋼而言，ISO 8501.1《涂裝油漆和有關(guān)產(chǎn)品前鋼材料預(yù)處理表面清潔度的目視評定》給出了常用的方法。

ISO 8501.1標(biāo)準(zhǔn)中，將碳素鋼、合金鋼銹蝕程度分為A、B、C、D四種：

A：鋼材表面大面積地覆蓋著致密氧化皮，幾乎沒有銹斑，僅有少量浮銹；

B：鋼材表面開始生銹，致密氧化皮脫落；

C：鋼材表面致密氧化皮已經(jīng)因銹蝕而脫落或附著不牢，但在正常目測下只能看到少量的點(diǎn)蝕；

D：鋼材表面氧化皮已經(jīng)因銹蝕而脫落，正常目測下可以看到大量的點(diǎn)蝕；

并給出了A、B、C、D各級的代表性圖樣，如圖1所示。

圖1 各級的代表性圖樣

我國標(biāo)準(zhǔn)也是按ISO 85系列標(biāo)準(zhǔn)衍生出來的，基本的規(guī)定都一樣。碳鋼、合金鋼材料的核設(shè)備裸露表面的銹蝕程度，可按圖1所示各級進(jìn)行定性評價。對預(yù)處理后的碳鋼、合金鋼表面，可根據(jù)預(yù)處理的方法按ISO 8501st和sa級，對照后按相應(yīng)級別標(biāo)準(zhǔn)圖樣進(jìn)行評價。遺憾的是ISO 8501沒有對涂漆表面發(fā)生銹蝕的評價方法，而ISO 8502也僅有對涂漆后做過預(yù)處理的鋼材表面資料。但是ISO 85系列標(biāo)準(zhǔn)僅給出了定性對照未提供定量依據(jù)。無論在A、B、C、D各等級中，標(biāo)準(zhǔn)圖樣內(nèi)對象本身的銹蝕率是不清楚的。

（2）對不銹鋼表面的銹蝕評價，日本制訂了相應(yīng)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可對材料的該項指標(biāo)進(jìn)行控制，如JIS G 0595標(biāo)準(zhǔn)中的不銹鋼表面銹蝕程度評價方法。

JIS G0595標(biāo)準(zhǔn)通過CCD圖象解析并建立了100×150大小鹽霧腐蝕試樣的銹蝕形貌指標(biāo)JIS RN與銹蝕面積率的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 JIS RN與銹蝕面積率的對應(yīng)關(guān)系

另外，日本不銹鋼協(xié)會發(fā)表的《不銹鋼表面銹蝕程度評價的標(biāo)準(zhǔn)圖象解析方法》亦提供了不銹鋼銹蝕指標(biāo)SA RN與銹蝕面積率的對應(yīng)關(guān)系（通過CCD圖象解析法），還給出了SA RN與JIS RN的對應(yīng)關(guān)系，二者從根本上比較接近，如圖3所示。

圖3 SA RN與銹蝕面積率的對應(yīng)關(guān)系

SA RN圖表采用半對數(shù)坐標(biāo)表示，即銹蝕級別SA RN與面積率的對數(shù)成直線關(guān)系。銹蝕面積率0.1%，1%，10%分別為SA RN 8、5、3（偶然因素不參與評級），這恰好與RCC－M F6000準(zhǔn)則2、準(zhǔn)則3、準(zhǔn)則4中要求的面積率相匹配，任何滿足150×100面積條件下0.1%、1%銹蝕率的零件一定可以滿足RCC系列標(biāo)準(zhǔn)中整機(jī)表面0.1%、1%銹蝕率的要求。

有了評價依據(jù)，再確定定量評價方法后，就可對核設(shè)備的表面銹蝕情況進(jìn)行考核了。

（3）定量評價的方法

參照日本標(biāo)準(zhǔn)對表面評價的方法，可采用劃格法進(jìn)行表面評價。先制作與標(biāo)準(zhǔn)試樣大小一致的半透明150mm×100mm樣板，在其內(nèi)劃分24個25mm×25mm區(qū)域，再制作25mm×25mm的半透明樣板，其內(nèi)劃分25個5mm×5mm區(qū)域。凡有可疑區(qū)域均以樣板覆蓋該區(qū)域，并記錄所占區(qū)域內(nèi)腐蝕點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)銹蝕點(diǎn)很小時，可使用25mm×25 mm樣板覆蓋在150mm×100mm樣板上進(jìn)行評價，最終均需折算到150mm×100mm面積下的銹蝕率，以便與標(biāo)準(zhǔn)試樣值進(jìn)行對照。當(dāng)然，若考慮更高的檢測精度，也可以使用5mm×5mm這樣更小的樣板，但觀測起來會比較困難。樣板的制作尺寸，如圖4所示。

圖4 樣板的制作尺寸

在工程驗收中，可在設(shè)備總體標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)收緊銹蝕率的驗收準(zhǔn)則。比如按RCC－M標(biāo)準(zhǔn)驗收的設(shè)備可參考ASME III的規(guī)定，設(shè)置好統(tǒng)計銹蝕率的基數(shù)，可避免對核設(shè)備的全表面積進(jìn)行檢測。或者規(guī)定小樣板內(nèi)任一格若包含＞3mm×3 mm的銹點(diǎn)即可認(rèn)為該5mm×5mm區(qū)域已銹蝕等，采用偏激進(jìn)或偏保守的單個單元格驗收準(zhǔn)則，將視各評價主體的意愿而定，只要不違反設(shè)備總體標(biāo)準(zhǔn)的大原則并結(jié)合工程實踐滿足低成本和易用目標(biāo)即可。

CCD成像解析法也可用于設(shè)備的表面評價。但由于檢測設(shè)備上存在焦距控制等一系列問題，在直徑較小的筒形、管狀、球型表面上實施起來可能沒有劃格法廉價和有效。

4 結(jié) 語