核電汽輪機防應力腐蝕裂紋技術

王林海

（中國核動力院深圳科技開發分公司,沈陽 110063）

核電汽輪機防應力腐蝕裂紋技術

王林海

（中國核動力院深圳科技開發分公司,沈陽 110063）

近年來，伴隨著我國經濟實力的不斷增強，科學技術水平及裝備制造能力也不斷提升，核電作為清潔能源越來越廣泛的被應用到國民生產生活中。隨著國家核電項目建設的增多，如何做好核電安全運行成為重要問題。本文對腐蝕現象進行簡單介紹，并對應力腐蝕發生的原因和防應力腐蝕裂紋技術等解決辦法進行了探討。

核電汽輪機；腐蝕作用；防應力腐蝕裂紋技術

0 前言

隨著我國經濟發展的步伐不斷加快，據統計顯示，在過去的十幾年內，基本上用電量增長了幾十倍之多。目前，我國生產電力最好的方法就是使用核反應，建立核電站。但是核電汽輪機的工作蒸汽壓力較低，濕度較大，易使汽輪機本體受到腐蝕作用，若腐蝕時間長難免使設備本體產生裂縫，影響發電機發電功率、汽輪發電機運行安全、汽輪機使用壽命、甚至會影響核反應堆的安全運行。因此，研究防腐蝕技術十分重要。

1 汽輪機應力腐蝕概念及危害

金屬材料在拉伸應力和腐蝕介質的共同作用下，發生的腐蝕現象稱為應力腐蝕。

通常機械設備金屬材料經過特殊處理后都會在其表面形成一層鈍化膜（酸洗鈍化等辦法形成氧化膜），在表面鈍化膜完好時金屬設備一般不易被腐蝕。但在應力作用下，設備形變使其本身金屬表面局部區域的鈍化膜被撕破，露出其內部未被特殊處理過的活性金屬，在設備內流通介質長期作用下出現腐蝕，且其發展是逐漸加劇的。應力腐蝕與單純的應力破壞不同，再低的應力若能金屬材質表面鈍化膜遭到破壞，長期作用下也會設備材質發生破壞；與單純由于腐蝕引起破壞也不同，腐蝕性很弱的介質，若在應力作用下也能產生嚴重的腐蝕破壞。應力與腐蝕二者相互促進，它們往往使設備金屬材質在沒有變形預兆的情況下迅速斷裂。在工廠中，鍋爐、管道、汽輪機葉片、凝汽器銅管，均有發生應力腐蝕的可能性，很容易造成嚴重的事故。

2 汽輪機發生應力腐蝕原因分析

（1）應力是應力腐蝕的必要條件。設備的結構設計、設備的加工精度、裝配尺寸間隙、裝配工藝，都會導致汽輪機在安裝、運行過程中在局部存在外加、殘余應力。

（2）設備材質的屈服強度、抗腐蝕能力，設備加工的工藝過程控制。對于重要且工作環境特殊的設備材質選材不合適。選用屈服強度較低、應力腐蝕門檻值較低的材料。在材料使用前沒有進行應力退火減少殘余應力，在設備焊接制作時沒有消除焊接應力。

（3）工作環境因素，包括介質、氧化劑、溫度，金屬因素等。汽輪機葉片應力腐蝕發生斷裂的風險，對汽輪機組的安全運行產生嚴重威脅。氯腐蝕就是其中的一個重要因素，在過熱蒸汽至濕蒸汽的過渡區水滴中的氯化物鹽類（NaCl、MgCl2）濃度最高，而常用的含鉻量在13％的不銹鋼對氯化物鹽類的腐蝕相當敏感，發生腐蝕時一般會使葉片的疲勞極限下降50％左右，實驗表明在腐蝕坑口氯離子的含量是未腐蝕處的30倍，是刀痕、劃痕等硬傷處的6倍，其主要原因是發生電化學腐蝕的緣故，由于腐蝕坑較小，坑底能充當腐蝕電流的陽極。坑周圍面積較大充當陰極，在坑內鐵、鉻不斷失去電子，電子經金屬基本向陰極遷移發生還原反應，在電場的作用下，鐵鉻離子不斷向坑外運動，OH-、Cl-等負離子從溶液中向坑內運行，在坑口相遇發生二次腐蝕反應，進一步加速腐蝕，所以在坑口造成氯離子的富集。從某機組大修葉片的表面檢查情況來看，壓力級前六級出現了不同深度的小麻坑，從腐蝕坑的形狀分析，該坑首先是在投運前吹管時，管道中未吹凈的焊渣，氧化皮與高速旋轉的汽輪機葉片相撞造成的，這樣首先破壞了葉片表面的強化層，為以后的氯腐蝕創造了條件[1]。

3 汽輪機應力腐蝕的防止方法分析

綜合汽輪機發生應力腐蝕的三點主要原因，應從三個方向研究降低消除汽輪機應力腐蝕的方法。

（1）從設備結構設計階段開始，到設備裝備結束，優化每一個環節，降低設備制造、裝配尺寸誤差。消除由于設備外形結構、制作誤差，裝配工藝不當給設備各部件之間帶來的應力。

（2）從設備材質選材鑄造、焊接制作過程中，優化每一個環節，提高核電汽輪機汽缸、葉輪、葉片的材質選用標準，在合理范疇選用屈服強度相對較低的金屬材質，提高應力腐蝕門檻。對于重要焊接部位，選用合理高標準的焊接工藝，消除焊接應力。

（3）加強汽輪機及輔助系統運行參數監控，按時按要求對鍋爐給水、汽輪機凝結水、凝結水精處理等各環節做好化學取樣監測，降低進汽輪機腐蝕離子含量。

在機組安裝完工后，要對各介質管道按國標要求進行吹掃、沖洗，嚴格按照工程驗收標準評價[2]。

4 防應力腐蝕裂紋技術國內外設計分析

國內核電技術部分基于法國Alstom公司技術，Alstom 公司在核電設備設計、制造、安裝及運行中都有著豐富成熟的經驗。在控制避免汽輪機發生應力腐蝕方面，它們的設計思路和方法是使用焊接轉子和控制汽輪機各部件間工作應力。由于焊接轉子的切向應力較低，因此可以選用材料的屈服強度較普通汽輪機轉子所選用材料的低，從而可以提高導致應力腐蝕裂紋產生的工作應力門檻值。同時對葉根、葉輪與軸轂等應力集中區域進行三維有限元分析，可以精準地評估這些部位的應力峰值，確保其所受應力始終低于產生應力腐蝕裂紋工作應力門檻值。通過這種設計理念的新方法已經成功改造了比利時Doel3、Tihange2和法國Gravelines6、Tricastin3機組，除此之外這些新設計也用于改造美國市場上 PWR 堆型的其他非Alstom 產品機組 ,成功的實例有 Callaway、Diablo Canyo n、rt Calhoun 核電站。

5 結語

作為核電站關鍵設備的大型汽輪機，結合國內外多年核電汽輪機運行檢修情況來看，汽輪機低壓轉子部位比較容易產生應力腐蝕裂紋。而根據眾多理論研究表明，應力腐蝕裂紋的產生和擴散主要受其工作環境、設備各部件工作應力、設備材料的屈服強度因素控制。因此目前汽輪機防應力腐蝕設計上主要采取的措施有：轉子材料選取上盡量使用低屈服極限、韌性較好的鋼種，局部應力過高時可使用特殊焊接材料堆焊替代的方案；通過采用材料特殊熱處理等多種應力釋放手段降低轉子部件的工作應力，或使用焊接轉子技術降低葉輪根部的工作應力等降低工作應力的手段；控制工作環境因素，如蒸汽品質等；上述這些設計預防措施已經在我國CPR1000等核電汽輪機的設計中得到廣泛的應用，在近年的、運行檢修中也反饋到了良好的實際效果。

[1]毛菊英.核電汽輪機防應力腐蝕裂紋技術的應用探討[J].科技創新導報,2012（03）.

[2]鄭裕衫.我國核電汽輪機防應力腐蝕裂紋技術的發展和趨向[J].科技促進發展，2010（04）.

王林海（1987—），男,工程師，主要從事：核電設備管理工作。