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

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124）

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：

而陰極（縫隙內溶液）則發生溶解氧的還原：

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：

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：

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：

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。