壓水堆一回路系統600合金部位應力腐蝕開裂風險分析

張江濤++高軒

摘 要：本文介紹了因科鎳600合金在壓水堆核電廠一回路水環境下發生一回路水應力腐蝕開裂（PWSCC）的機理和影響因素，并從因科鎳600合金失效案例、各部位對應力腐蝕開裂的敏感性，以及表面加工工藝的影響等方面進行分析，對國內某核電機組一回路600合金部位發生應力腐蝕開裂的風險進行了評價，認為穩壓器接管安全端異種鋼焊縫及電加熱器貫穿件部位風險最高，一回路熱段相關部位風險次之，需要進一步加強監督管理，以確保機組安全運行。

關鍵詞：壓水堆 600合金 一回路水應力腐蝕開裂 風險分析

中圖分類號：TL353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0120-02

早期壓水堆核電廠一回路系統的許多部位使用了因科鎳600合金及相關焊接材料。隨著運行時間的延長，很多部位出現了應力腐蝕開裂的現象[1]。大量研究表明，600合金材料在壓水堆一回路水或蒸汽環境下對一回路水應力腐蝕開裂（PWSCC）敏感。

國內某壓水堆核電機組一回路壓力邊界的一些部位使用了600合金材料。鑒于600合金對PWSCC的敏感性，需要對這些部位進行深入分析和評價，并制定相應的應對措施，確保機組安全穩定運行。

1 應力腐蝕開裂

應力腐蝕是金屬材料在拉應力和腐蝕介質的共同作用下所引起的脆性斷裂。應力腐蝕開裂必須具備3個條件才能產生，即敏感性材料、拉應力和腐蝕環境。

1.1 敏感性材料

退火溫度和鉻含量是影響鎳基合金對PWSCC敏感性的兩個重要因素。高溫退火有利于使碳化物在晶界大量析出，碳化物可以阻礙和消耗晶界中的氧，防止鉻的局部氧化，同時碳化物起到位錯源的作用，導致塑性應變，從而引起裂尖鈍化，降低合金對PWSCC的敏感性。

鎳基合金對PWSCC的敏感性存在一個門檻值。當鉻含量超過門檻值時，材料就能有效防止PWSCC的發生。鎳基合金在一回路水環境中會反應消耗11%～12%的鉻，而合金內部氧化的門檻值約為10%的鉻，再加上一定的安全裕量，鉻含量24%以上就對PWSCC不敏感[2]。

1.2 拉應力

持續較高的拉應力是PWSCC發生的必要條件。產生拉應力的原因，一個是由壓力、溫度和其他機械應力而引起的運行應力，一個是焊接殘余應力。在設計中已對運行應力進行了分析和計算，而較高的拉應力往往是由于制造過程中焊接后冷卻收縮而引起的。焊接殘余應力是PWSCC萌生和擴展的主要驅動力。

1.3 腐蝕環境

一回路系統的水化學和溫度是影響PWSCC的重要因素。運行溫度較高的部位會比運行溫度較低的部位更易發生應力腐蝕開裂。冷卻劑中氫和鋰的濃度會影響裂紋萌生和擴展，需要嚴格控制水質。加鋅可以延長啟裂時間，降低裂紋擴展速率，在一些核電廠中已有應用。

2 應力腐蝕開裂風險分析

2.1 失效案例分析

對國際上發生PWSCC的案例進行了調研，分析表明，大部分PWSCC失效事件發生在機組運行20年以后，發生部位為蒸發器傳熱管及一回路貫穿件或接管異種鋼焊縫。國內某機組已運行20多年。隨著運行時間的增加，600合金部位發生PWSCC的風險逐漸升高，應予以特別關注。

2.2 敏感性分析

一般來講，對PWSCC同樣敏感的材料，在相同拉應力的作用下，裂紋萌生的時間是運行溫度的函數，可用下式表示：

式中，EDY為等效降質時間，年；

ΔEFPYj為在溫度Tj下的運行時間，年；

Qi為裂紋萌生的熱活化能，50kcal/mol；

R為氣體常數，1.103×10-3kcal/mol.°R；

Tj為物體在j時段的運行溫度；

（°R=°F+459.67=（1.8×℃+32）+459.67=1.8×℃+491.67）

Tref為參考溫度，600°F=1059.67°R=315.6℃

工業界常用上式來評價鎳基合金對PWSCC的敏感性。EDY≥12說明材料對PWSCC的敏感性高，EDY介于8～12之間說明材料對PWSCC敏感性為中等，DEY<8說明材料對PWSCC敏感性低。

根據機組的運行參數，計算得到各部位的EDY值。結果

表明，與穩壓器相連的600合金部位對PWSCC的敏感性高，一回路熱段部位的敏感性中等，而其他部位的敏感性較低。

2.3 表面處理工藝對表面殘余應力的影響

在現場焊接完成后需要進行打磨或機加工處理，使焊縫金屬的表面粗糙程度滿足無損檢測的要求。打磨或機加工以及作業時產生的高溫環境會使焊縫表面的狀態發生改變，如表面變硬、殘余應力增大等，這些狀態發生了改變的表層稱為冷加工層。打磨可分為粗磨和細磨，兩者導致的冷加工層也存在顯著差別。粗磨導致的冷加工層會增加部件PWSCC的傾向，而細磨則會抑制PWSCC的傾向。

根據部件的制造記錄，穩壓器噴霧管、泄壓管和安全管接管異種鋼焊縫在役前進行過返修，對焊縫內表面進行了補焊和打磨，增加了焊縫表面的拉應力，進而增加PWSCC發生的可能性。

2.4 風險分析

綜合考慮以上因素，對機組600合金部位發生PWSCC的風險進行了評估，結果如下：

穩壓器接管安全端異種鋼焊縫及底部貫穿件部位發生PWSCC的風險很高；一回路熱段相關部位風險次之；一回路冷段相關部位風險較低。

3 結論和建議

3.1 結論

根據分析，得出以下結論：

1）PWSCC的產生需要具備敏感材料、腐蝕環境和拉應力三個條件。

2）與穩壓器相連的600合金部位對PWSCC具有較高的敏感性，一回路熱段焊縫中等，其他部位的敏感性較低；

3）焊縫表面經過打磨或機加工處理后，表面硬度和殘余應力增加，PWSCC敏感性升高，返修部位敏感性更高。

3.2 建議

針對600合金PWSCC問題，建議通過加強檢查、緩解和維修等措施來進行管理。

檢查手段主要是增加檢查頻度和改變檢查方法。緩解的常用方法是將對PWSCC敏感的部件直接更換為耐PWSCC的材料或者將其與一回路水或蒸汽環境完全隔離開，包括管道外表面堆焊、內表面堆焊、半截管更換和襯板技術。改善應力的常見的技術主要有機械應力改善技術、熱處理、設備表面強化處理等。還可以通過改善運行環境來降低材料對PWSCC的敏感性，如提高電化學電勢、加鋅以及降低運行溫度等。

參考文獻

[1] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY，Stress corrosion cracking in light water reactors： good practices and lessonslearned，IAEA nuclear energy series No. NP-T-3.13，IAEA，Vienna（2011）.

[2] Minimum Chromium Content In Nickel-Alloy Weld Overlays to Mitigate PWSCC，SIR-05-007.endprint