核電站不銹鋼覆面焊接接頭的點蝕行為及設計改進

王宇欣,白 林,張洪軍,邰 江,左景輝,張 躍

(1. 中國核電工程有限公司，北京 100840； 2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；3. 生態環境部核與輻射安全中心,北京 100082)

核電站不銹鋼覆面的主要功能是在各種設計工況下(如正常運行、預期事故工況、SSE地震工況、強迫卸料工況等)，保證各水池、水箱不發生泄漏，以中核集團自主研發的華龍一號為例，其主要用于反應堆廠房內的內置換料水池、CIS水池、堆內構件存放池和RVD系統地坑，燃料廠房內的乏燃料貯存水池、燃料轉運艙、容器裝備井、容器裝載井和RCD系統的疏水坑，電氣廠房內的輔助給水箱，安全廠房內的地坑以及輔助廠房內的部分貯槽間和疏水坑等不承受壓力的水池。

核電站傳統的不銹鋼覆面采用低碳奧氏體不銹鋼Z2CN18-10(304L)；AP1000核電站鋼覆面采用美國西屋工藝，材料為S32101不銹鋼。從國內外電站的運行經驗反饋來看，泄漏時有發生，焊縫腐蝕失效可使水池覆面產生泄漏，從而影響電站的運行安全[1-2]。國內對不銹鋼覆面材料在實際運行環境中的耐點蝕行為、腐蝕行為均做過系統研究[3-5]，但對其焊接接頭腐蝕的研究卻鮮有報道。而焊接接頭，具有不可避免的物理化學差異、殘余應力和隱藏的缺欠，往往是不銹鋼覆面的薄弱環節，也是導致其腐蝕破壞的影響因素。

本工作選取3種不銹鋼覆面材料的焊接接頭，對其基礎點蝕行為進行詳細研究，并為后續新建電站設計提出建設性的改進措施。

1 試驗

1.1 試樣

試驗件為厚10 mm，各項性能符合ASME SA-240規定的S30403、S32101和S32205不銹鋼板。前期由建設單位進行了大量工藝性試驗，完成了非熔化極惰性氣體鎢極保護焊(TIG焊)焊接工藝評定。試驗件的焊接嚴格按照NB/T 20002-2013《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范》執行，選取靠近線能量的上限來模擬惡劣工況，具體焊接工藝參數見表1。

表1 試驗件的焊接工藝參數Tab. 1 Welding conditions of samples

1.2 試樣的理化性能

該批試樣首先按照NB/T 20003-2010《核電廠核島機械設備無損檢測》進行了焊后VT、PT、RT等無損檢驗，全部規范1級合格；隨后截取部分試件按照NB/T 20004-2014《核電廠核島機械設備材料理化檢驗方法》，進行化學成分檢驗、力學性能檢驗(橫向拉伸、面彎、背彎、沖擊)、晶間腐蝕試驗、鐵素體含量測定、金相檢驗等破壞性檢驗，全部合格；最后按照GB/T 31218-2014《金屬材料 殘余應力測定 全釋放應變法》，對其殘余應力進行了測試，測試儀器為KJS-3P型應力測試儀，測試點位于焊縫中心和焊縫邊緣熔合線附近，測試結果見表2。

表2 試樣的殘余應力Tab. 2 Residual stress of samples

由表2可見：無論是焊縫熔敷金屬還是母材熱影響區，殘余應力均為較高的拉應力，最大可達實際屈服強度的70%以上。殘余應力呈現典型雙軸拉伸狀態，即垂直于焊縫的橫向應力也很高，且熱影響區的殘余應力高于焊縫處的。對于S30403不銹鋼，橫向的拉應力幾乎與縱向的相同；而對于S32205和 S32101不銹鋼，橫向的拉應力低于縱向的，但近似達到了屈服強度的50%。較高的橫向殘余應力是引發應力腐蝕的重要原因，尤其對于抗應力腐蝕門檻值較低的S30403不銹鋼材料更加危險。

1.3 試樣的顯微組織

由圖1可見：S32101、S32205不銹鋼焊接接頭的顯微組織以鐵素體為基體，其上分布著條塊狀的奧氏體，鐵素體相與奧氏體相之比(體積比)基本相等，這兩者的顯微組織比S30403不銹鋼的更加細小。且3種材料焊接接頭的顯微組織中均未發現有害沉淀相，也未發現裂紋、氣孔、夾鎢等焊接缺陷。

(a) S30403，熔合線附近 (b) S30403焊縫金屬 (c) S32101，熔合線附近

1.4 試驗方法

以華龍一號核電站乏燃料水池為例，池內硼酸水溶液pH為4.0～6.0、含硼(2 500±100) mg/L、水溫(40～60) ℃(短期異?；蚴鹿蕳l件下最高為80 ℃)、Cl-質量濃度<0.15 mg/L。水池覆面背面與混凝土接觸，一般混凝土砂漿中氯化物的總含量低于200 mg/L。此外，硼箱凈化系統中的磺酸基可能會被硼酸氧化分解生成SO42-，使溶液中的SO42-含量升高?；谏鲜隹紤]，試驗以富氧、pH為5.0、含硼2 500 mg/L硼酸溶液作為基礎電化學溶液介質，進一步調整溶液中Cl-含量(0,200,350,700mg/L)、溫度(20,40,60,80℃)、pH(2.0,5.0)、SO42-含量(0,50,1 500 μg/L)和溶解氧含量(除氧、飽和氧)進行組合試驗。

試驗在PARSTAT2273電化學工作站上完成，參考標準GB/T 17899-1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》，掃描速率為1 mV/s。采用三電極體系進行電化學動電位極化掃描：輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，工作電極為試樣。試樣尺寸為15 mm×15 mm×3 mm，由熔敷金屬區、熔合區、熱影響區和母材區組成。

通過測量3種焊接接頭試樣在不同試驗環境中的點蝕電位(Eb)和再鈍化電位(Er)，評價其在各種環境中的抗點蝕性能。

2 結果與討論

2.1 Cl-濃度和介質溫度的影響

由圖2可見:當溶液中無Cl-時， 隨著溫度的升高，S32205焊接接頭的點蝕電位變化不明顯；再鈍化電位<40 ℃時變化不大，當溫度達到60 ℃時達到了極小值，而后又趨于平穩。S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位隨溫度的升高而逐步降低。S32101焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位在40～60 ℃大幅減低，而后趨于平穩。在試驗溫度范圍內，3種材料的Eb由大到小為:S32205試樣>S32101試樣>S30403試樣，Er由大到小為：S32205試樣>S32101試樣>S30403試樣。

圖2 Cl-濃度和溶液溫度對3種焊接接頭在無SO42-溶液中點蝕電位(Eb)和再鈍化電位(Er)的影響Fig. 2 Effect of temperature and different Cl- concentrations (without SO42-) on pitting corrosion potential (a,c,e,g) and repassivation potential (b,d,f,h) of three welds

當溶液中存在Cl-時，S32205焊接接頭試樣的點蝕電位和再鈍化電位高于S32101和S30403焊接接頭試樣的約0.3～1 V，變化規律與無Cl-時的相同；S32101和S30403試樣的點蝕電位和再鈍化電位基本相近，變化趨勢也類似，即隨溫度的升高而降低，整體變化不大。在試驗溫度的范圍內，三種材料的Eb為:S32205試樣>S30403試樣≈S32101試樣。Er為:S32205試樣>S30403試樣≈S32101試樣。

綜上可知，3種焊接接頭的點蝕電位均隨介質溫度的升高而降低。S32205焊接接頭對介質溫度更為敏感，而有無Cl-卻影響不大，且存在點蝕電位臨界溫度Tb0>60 ℃，點蝕電位在臨界溫度區間急劇降低。介質溫度對S32205焊接接頭的再鈍化電位有較為明顯的影響，當溫度超出該臨界溫度后再鈍化電位呈大幅度臺階式降低，在多數介質中鈍化電位臨界溫度(Tr0)為40 ℃

2.2 介質pH的影響

將基礎介質pH由5降為2(調整Cl-質量分數至15%)，在SO42-質量濃度1 500 μg/L、80 ℃的條件下測試3種焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位，并將其與pH為5時的測試結果進行對比，結果如圖3所示。

(a) Eb (b) Er

3種焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位均隨著介質pH的減小而降低。當介質pH由5調整為2時，S32205焊接接頭的點蝕電位從0.75 V下降到0，再鈍化電位從0.15 V下降到-0.2 V；S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位均從0.25 V左右下降到-0.15 V，再鈍化電位下降了約0.4 V。

可以看出，在極限高溫、高SO42-、高Cl-條件下，3種焊接接頭的Eb表現為：S32205>S32101≈S30403;Er為S32205>S30403>S32101。

2.3 SO42-濃度的影響

由圖4可見:S32205焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位隨著SO42-濃度的增加，先略有升高后緩慢下降，整體變化不大；S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位隨SO42-的變化并無明顯變化，其對有無Cl-更為敏感。

(a) Eb，T=20 ℃ (b) Er，T=20 ℃

總體上SO42-濃度對S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位影響不大。S32205焊接接頭的點蝕電位高出S32101和S30403的0.5～1 V；而S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位相近。

2.4 溶解氧的影響

由圖5可見:除氧條件下，當介質溫度小于40 ℃時，S32205焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位隨溫度變化有所升高，當溫度進一步升高到60 ℃時出現大幅臺階式降低，后隨溫度升高有所下降。S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位隨溫度升高而降低。在試驗溫度的范圍內，Eb為S32205>S32101≈S30403，Er為S32205>S30403≈S32101。

(a) Eb (b) Er

可以看出，有無溶解氧對S32205焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位的影響較大，但對S32101和S30403焊接接頭點蝕電位和再鈍化電位的影響不明顯。除氧后，S32205焊接接頭的點蝕電位、再鈍化電位出現大幅臺階式降低,Tb0和Tr0均向高溫方向移動，由20～40 ℃移動到了40～60 ℃。

2.5 焊接接頭與基材的點蝕行為

如圖6(a)、(b)所示，在無SO42-、無Cl-、富氧條件下，當介質溫度小于60 ℃時，S32205焊接接頭的點蝕電位、再鈍化電位與基材的相差不大；當介質溫度為大于60 ℃時S32205接頭的點蝕電位較基材的有所降低，再鈍化電位較基材的有所升高。S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位在測試溫度范圍內均高于基材的0.2～0.8 V。當介質中含Cl-時，與基材相比，S32205焊接接頭的點蝕電位整體降低約0.3 V；再鈍化電位在溫度小于40 ℃時降低約0.2 V，當介質溫度為大于60 ℃時，再鈍化電位較基材的略有升高。與基材相比，S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位、再鈍化電位基本接近。

(a) Eb,0 Cl- (b) Er,0 Cl-

整體來講，焊接接頭的點蝕電位隨溫度變化的規律與基材的基本相同。S32205焊接接頭的點蝕電位在多數環境中略低于基材的，再鈍化電位及其隨溫度變化的規律與基材的基本接近。S32101和S30403焊接接頭的點蝕電位、再鈍化與基材的相比差別不大。

3 設計改進

通過對上述3種焊接接頭的點蝕行為進行研究，結合前期失效分析和材料腐蝕行為的研究成果，綜合國內制造成熟度等因素，建議后續新建電站的不銹鋼水池覆面選用耐腐蝕性能更為優異的S32205雙相不銹鋼材料。在某電站的運維項目中嘗試采用S32205材料進行整體替換原水池覆面(容積1 000 m3以上)，目前運行情況良好。

在經濟性上，3種材料及其配套焊材的價格基本相當。雙相不銹鋼S32205具有良好的焊接性，冷裂和熱裂敏感性都較小，通常焊前不預熱、焊后不熱處理，當線能量控制適當時，焊接接頭具有良好的綜合性能。

雙相不銹鋼比S30403不銹鋼的屈服強度高出2倍多，帶來的焊接殘余應力、焊接變形也會加大，這在雙相鋼S32101水池覆面中已有所體現。所以在設計層面上，應進一步優化結構設計和焊縫布置來減少應力集中，開發焊接工藝來減少熱輸入和提高自動化程度，以及對可能帶來溫度變化和Cl-增加的工藝環節進行程序化控制。

4 結論

(1) S32205焊接接頭對溫度的影響更為敏感，對Cl-和SO42-不敏感，且存在臨界溫度區Tb0>60 ℃、40 ℃

(2) 介質中溶解氧對S32205焊接接頭的點蝕電位和再鈍化電位的影響較大，但對S32101和S30403焊接接頭的影響不明顯。除氧后，S32205焊接接頭的點蝕電位、再鈍化電位出現大幅降低現象,臨界溫度向高溫方向移動。

(3) 焊接接頭的點蝕電位隨溫度變化規律與基材的基本相同。

(4) 在服役條件下，S32205材料具有更好的腐蝕性能和綜合力學性能，經濟性和工藝成熟度上與S30403不銹鋼的相當，對進度、施工、安全分析和其他專業設計基本無影響，是一種理想的改進型水池覆面材料。