某核電站給水泵泵軸腐蝕原因分析及處理

招錦健 劉崇志 朱健

【摘 要】某核電站大修發現，給水泵組增壓泵泵軸與機械密封軸套配合處有不同程度的腐蝕，存在設備可靠性隱患。通過理論分析和現場檢查確認腐蝕現象為縫隙腐蝕，對縫隙腐蝕形成機理進行分析，并提出改進措施防止腐蝕再次發生。

【Abstract】In the overhaul of a nuclear power plant， it is found that there is varying degrees of corrosion in the joint of the booster pump shaft and mechanical seal sleeve of the feed water pump unit， and there is hidden danger of equipment reliability. Through theoretical analysis and on-site inspection， the corrosion phenomenon is confirmed as crevice corrosion. The formation mechanism of crevice corrosion is analyzed， and the improvement measures are put forward to prevent the corrosion from happening again.

【關鍵詞】給水泵；泵軸；縫隙腐蝕

【Keywords】 feed water pump； pump shaft； crevice corrosion

【中圖分類號】TK223 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）11-0145-02

1 引言

在某核電站1、2號機組大修中發現，增壓泵泵軸在與機械密封軸套配合處發現不同程度的腐蝕，腐蝕發生的位置沿軸向寬帶分布，圓周向不連續，對應機械密封軸套O形密封圈密封處的空氣側。大修中采取外送泵軸激光熔覆和現場微弧焊對泵軸腐蝕處進行修復，修復后對泵軸進行圓滑打磨，避免回裝機械密封后在軸套O 形密封圈處發生泄漏。分析該腐蝕現象的形成機理，防止類似現象再次發生。

2 設備簡介

泵軸材料為UNS S42000馬氏體不銹鋼，化學成分為：w（C）≤0.15%、w（Si）≤0.1%、w（Mn）≤0.1%、w（P）≤0.04%、w（S）≤0.03%、12%≤w（Cr）≤14%。機械密封軸套材料為316不銹鋼，機械密封動環通過軸套與軸固定，軸套通過軸套鎖母與泵軸固定，機封軸套與軸為間隙配合。軸套內部設有O形密封圈，用于防止泵內介質從軸套處泄漏。O形密封圈材質為三元乙丙橡膠（EPDM），規格為130.00 mm×3.53 mm。密封圈槽為矩形槽，尺寸為深3 mm、寬5 mm。

3 故障現象及初步分析

3.1 故障現象

某核電站1號機組第7次大修中3號增壓泵解體檢查發現，泵軸兩端安裝機械密封軸套O形密封圈處空氣側表面腐蝕，1號增壓泵的泵軸非驅動端安裝機械密封軸套O形密封圈處空氣側表面也存在腐蝕。某核電站2號機組第6次大修中檢查1、2號增壓泵兩端泵軸均存在不同程度的腐蝕現象。

泵軸腐蝕位置距離軸肩約36 mm，結合軸套圖紙和機封安裝圖紙，確認腐蝕位置位于軸套O形密封圈空氣側軸套與軸配合的間隙。各個泵軸腐蝕程度輕重不一，有呈單線窄坑狀，有呈帶狀分布（軸向寬度約4 mm），同時沿周向不連續分布，每個泵軸具體腐蝕的周向位置不同。檢查泵軸腐蝕部位和軸套內部，存在大量紅褐色和黑色腐蝕產物。由于腐蝕位于泵軸與軸套間隙位置，初步判斷腐蝕類型為縫隙腐蝕。

3.2 腐蝕機理分析

一般認為，縫隙腐蝕發生的敏感區間在0.025～0.1 mm。相關研究表明，當13Cr不銹鋼浸入質量濃度為3.5%的NaCl溶液后，陽極（不銹鋼表層）主要發生Fe和Cr的溶解：

Fe-2e-→Fe2+

Cr-3e-→Cr3+

而陰極（縫隙內溶液）則發生溶解氧的還原：

O2+2H2O+4e-→4OH-

由于溶解氧向縫隙內部擴散困難，當縫內溶解氧消耗之后形成了氧濃差電池，縫內13Cr不銹鋼表層成為陽極，縫外氧濃度高成為陰極。由于縫內的Fe2+和Cr3+難以擴散到縫外，為了保持縫內溶液的電中性，Cl-向縫內遷移，導致縫內Cl-聚集，形成了可溶性的金屬鹽（氯化物），然后水解產生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，大量游離H+使得溶液不斷酸化：

Fe2++ 2Cl-+2H2O→Fe（OH）2↓+2HCl

Cr3++ 3Cl-+3H2O→Cr（OH）3↓+3HCl

當縫內化學環境達到金屬去鈍化的臨界條件時，縫內電極的部分表面由鈍態轉為活化態，發生腐蝕。同時縫內未腐蝕的金屬部分作為陰極發生析氫反應，加速金屬基體的腐蝕。當pH足夠低且縫內電極電位下降到析氫電位時，便有氫氣析出：

2H++2e-→H2

最后，Fe（OH）2在縫口處氧化為Fe（OH）3，并分解為Fe2O3堆積在縫口處：

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O

綜上可知，縫隙腐蝕發生的條件概括為：①縫隙間隙在腐蝕發生的敏感寬度0.025～0.1 mm；②縫隙內處于溶液環境；③縫隙外存在大量游離負離子，特別是Cl-的存在，對鈍化膜有極強的侵蝕性，對縫隙內形成酸性化學環境并加速金屬的腐蝕起重要促進作用。

4 泵軸縫隙腐蝕原因分析

4.1 軸與軸套間隙條件

根據設計圖紙，軸外徑設計值為130.94～130.96 mm，軸套內徑設計值為131.00～131.04 mm，配合處間隙寬度為0.02～0.05 mm，該間隙滿足縫隙腐蝕發生的間隙條件（0.025～0.1 mm）。

4.2 縫隙內溶液環境

機械密封軸套與軸之間設置有O形密封圈，目的是防止泵送介質除氧水從軸與軸套之間外漏。發生腐蝕的縫隙處位于O形密封圈的空氣側，本應接觸不到除氧水。第6次大修中檢查3臺增壓泵兩端的機械密封軸套O形密封圈狀態，6個O形密封圈中有3個由于卷扭已發生塑性形變，目視檢查其他3個O形密封圈狀態基本成圓形。

由于安裝過程O形密封圈發生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長而線徑變小，導致壓縮率變小，在泵運行過程中泵送介質可能會在這些位置滲漏至空氣側，從而使軸與軸套配合處部分間隙區間形成溶液環境。拆解2號增壓泵驅動端機械密封軸套O形密封圈時，對應泵軸腐蝕位置處作標識，發現O形密封圈卷扭變形位置與泵軸腐蝕位置基本對應。

4.3 縫隙外存在游離負離子

核電站地區瀕臨南海， 屬于南亞熱帶濕熱型海洋環境氣候類型。氯離子主要來自海水，研究表明，電廠戶外氯離子濃度波動范圍在0.1263～1.2319 mg/（100cm2·d）之間，年平均氯離子濃度為0.5603mg/（100cm2·d），最高濃度可達2.1977mg/（100cm2·d）。高濃度的氯離子為縫隙內腐蝕的發生提供了豐富的負離子資源，對縫隙腐蝕的發生有極強的促進作用。

大量氯離子的侵入加速了縫內溶液的酸化過程，酸化始于縫隙底部，所以縫隙腐蝕首先發生于縫隙底部。對照實驗室模型，對應于給水泵機械密封軸套與泵軸間隙，間隙靠近O形密封圈一側作為縫隙底部，該位置是溶解氧最先消耗完且外部氧氣最難到達的位置，大修檢查1號增壓泵非驅動端端泵軸腐蝕情況，靠近O形密封圈側已發生比較明顯的呈單線窄坑狀腐蝕。實驗表明，當r（縫隙內外表面面積比）值較大時，腐蝕先從底部開始，逐漸擴展到四周，而縫隙中心位置仍保持光亮。對比實驗室模型，泵軸暴露在空氣中的伸出端為縫外自由表面，增壓泵泵軸發生縫隙腐蝕的r值較大，大修檢查2號增壓泵非驅動端端泵軸腐蝕情況與實驗室結論一致，縫隙底部先發生腐蝕縫隙，然后縫隙另一側發生腐蝕，縫隙中間位置還可看到金屬光亮。

4.4 原因綜述

由于機械密封廠家設計原因，機封軸套密封圈槽靠空氣側沿軸向與泵軸配合處，軸向長約4 mm位置形成0.02～0.05 mm的間隙區間。機械密封軸套O形密封圈可能在安裝過程中發生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長而線徑變小，導致壓縮率變小，在泵運行過程中泵送介質會在這些位置滲漏至空氣側，從而使軸與軸套配合處部分間隙區間形成溶液環境。由于泵送介質是除氧水，加上縫隙外氧氣難以進入縫內，縫隙內外形成氧濃差電池，縫內泵軸表面金屬為陽極，縫外自由表面為陰極，縫內金屬不斷發生溶解，縫內溶液陽離子堆積。為保持電荷平衡，縫隙外游離氯離子被吸引至縫內，縫內金屬鹽（氯化物）發生水解，產生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，使縫內溶液pH下降，進一步促使縫內金屬溶解。上述過程反復進行，互相促進，最終導致縫隙內發生幾何形狀變化，腐蝕產物堆積。

5 改進措施

根據給水增壓泵泵軸縫隙腐蝕發生原因的分析，改進措施為：廠家參照壓力級機械密封，對現有軸套O形密封圈進行改型，增加了密封圈線徑。大修檢查結果表明，壓力級給水泵泵送壓力更高，泵軸檢查未出現腐蝕現象，證明增加O形密封圈線徑后，機械密封安裝過程中O形密封圈不易發生卷扭，泵組運行過程中不會產生介質滲漏，消除了縫隙腐蝕發生的條件。目前已在進行機械密封改型替代。