秦山核電一期海水閥門(mén)的故障分析

摘 要：對(duì)原海水系統(tǒng)閥門(mén)故障模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致秦山一期海水閥門(mén)故障的主要原因?yàn)椋?）沖刷腐蝕失效;2）原閥門(mén)結(jié)構(gòu)選型存在不當(dāng);3）原閥門(mén)材質(zhì)選擇存在不足。

關(guān)鍵詞：海水;泥沙;沖刷腐蝕;選型不當(dāng);選材不當(dāng)

杭州灣地區(qū)海水工況較特殊，泥沙含量較高。秦山一期早期海水系統(tǒng)部分閥門(mén)存在一定的設(shè)計(jì)選型不合理的問(wèn)題，導(dǎo)致海水系統(tǒng)閥門(mén)缺陷較多。作者作為秦山一期原海水系統(tǒng)閥門(mén)管理工程師，開(kāi)發(fā)了一些海水系統(tǒng)閥門(mén)故障的狀態(tài)報(bào)告，進(jìn)行過(guò)一些故障原因分析。并針對(duì)性的進(jìn)行了一些海水系統(tǒng)的閥門(mén)的改造換型工作，積累了一些選型經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)秦山一期海水系統(tǒng)閥門(mén)的失效模式進(jìn)行了分析，可對(duì)后續(xù)改造和維修提供參考，并可以降低缺陷的發(fā)生頻率，延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。

1秦山一期的海水系統(tǒng)及閥門(mén)的歷史狀況

1.1 海水系統(tǒng)概況

根據(jù)秦山一期一些歷史資料，秦山一期循泵后循環(huán)水系統(tǒng)溫度為0-40℃，氯含量為1000～11000 mg/L，砂含量：1～10 kg/m3。循泵為秦山一期二回路系統(tǒng)總的取水動(dòng)力源，HLS系統(tǒng)從循環(huán)水系統(tǒng)取水。隨著海水進(jìn)入海水冷卻水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱HLS系統(tǒng)），隨著流阻增大、標(biāo)高提升導(dǎo)致流速降低，HLS中大量泥沙堆積于海水系統(tǒng)管道和閥門(mén)中。

1.2 海水閥門(mén)的歷史缺陷狀況及原因分析

秦山一期早期閥門(mén)絕大多數(shù)為國(guó)產(chǎn)閥門(mén)，國(guó)產(chǎn)閥門(mén)中大部分為鑄鐵閥門(mén)，設(shè)計(jì)選型存在一定問(wèn)題，閥內(nèi)件防腐措施運(yùn)用也不多，下列系統(tǒng)設(shè)備缺陷頻發(fā)。

1.2.1 發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)出口閥

1.2.1.1缺陷狀況描述

發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)出口閥早期為進(jìn)口閘閥， 秦山一期第五次大修后發(fā)現(xiàn)閥體腐蝕嚴(yán)

重，密封面溝槽明顯.后R6改造為316L材質(zhì)的非直通式截止閥，在R7閥門(mén)解體檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，上述閥門(mén)內(nèi)件均出現(xiàn)不同程度的沖蝕凹坑和溝槽，密封面損傷嚴(yán)重。

1.2.1.2缺陷原因簡(jiǎn)析

改造為316L材質(zhì)的非直通式截止閥，由于流體導(dǎo)向性差，閥內(nèi)件（閥芯及閥座等）直接經(jīng)受泥沙含量很大的海水沖蝕，沖刷腐蝕影響非常嚴(yán)重.密封面處易堆積泥沙，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)很容易損傷閥門(mén)密封面。由于海水存在兩相流，加劇沖蝕。

1.2.2 海水過(guò)濾器進(jìn)出口閥

1.2.2.1缺陷狀況描述

海水過(guò)濾器進(jìn)出口閥及一些海水總管旁路閥和一些冷卻器進(jìn)口總閥為一些鑄鐵蝶閥，也經(jīng)常出現(xiàn)一些閥體腐蝕穿孔的缺陷。

1.2.2.2缺陷原因簡(jiǎn)析

海水閥門(mén)選材為灰鑄鐵（HT200）閥門(mén)，由于內(nèi)部沒(méi)有采取特別防腐措施，片狀石墨鑄鐵耐海水性能不是特別突出，特別是灰鑄鐵加入1%-2%的合金元素后所形成的保護(hù)膜，在秦山一期泥沙沖刷下很快失效，在沖刷和腐蝕的交互作用下，灰鑄鐵腐蝕嚴(yán)重。

1.2.3 海升泵出口逆止閥

1.2.3.1缺陷狀況描述

海升泵出口逆止閥原采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)通用型旋啟式鑄鐵逆止閥。經(jīng)常發(fā)生密封面損傷，發(fā)生異音，閥板脫落或閥板碎裂等缺陷。

1.2.3.2缺陷原因簡(jiǎn)析

由于閥門(mén)布置在工業(yè)水泵出口垂直管道上，距海升泵出口較近，閥門(mén)經(jīng)常處于高動(dòng)態(tài)變化，閥板劇烈拍打閥座密封面，易造成閥板脫落等缺陷。另外由于閥座處易堆積泥沙，造成閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)等缺陷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行。

1.2.4 發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子冷卻器進(jìn)出口閥

1.2.4.1缺陷狀況描述

發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子冷卻器進(jìn)出口閥原選用鑄鐵閘閥，閥門(mén)經(jīng)常發(fā)生閥體腐蝕穿孔，閥板脫落等缺陷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行.

1.2.4.2缺陷原因簡(jiǎn)析

發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子冷卻器進(jìn)出口閥原選用鑄鐵閘閥.閥體為HT200腐蝕穿孔機(jī)理同海水過(guò)濾器進(jìn)出口閥。另外該類型閥門(mén)為閘閥結(jié)構(gòu)，閥體為灰鑄鐵HT200，閥桿等內(nèi)件為馬氏體不銹鋼2Cr13，2Cr13含碳量為0.16至0.25之間，含碳量較高。現(xiàn)在一些超低碳不銹鋼如CF3M，含碳量為0.03。其不僅可減少晶間腐蝕的產(chǎn)生而且在耐均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕及應(yīng)力腐蝕方面均有所提高。2Cr13硬度雖好，但因含碳量較高，耐腐蝕性能較差，在腐蝕性較強(qiáng)的海水介質(zhì)中，易形成銹斑和裂紋。另外該類型閥門(mén)為楔式閘閥結(jié)構(gòu)，閘閥的閘板和閥座為硬碰硬結(jié)構(gòu)。當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)閘板和閥座之間易夾入泥沙，一般楔式閘閥的開(kāi)力矩大于關(guān)力矩，當(dāng)夾入泥沙后開(kāi)力矩更大。在一個(gè)很大力矩作用下導(dǎo)致閘板耳或閥桿產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，馬氏體不銹鋼在含氯離子的海水中再外加很大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致閥桿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，導(dǎo)致閥板脫落。

2海水閥門(mén)腐蝕失效模式歸類分析

2.1沖刷腐蝕失效

主要是金屬表面切應(yīng)力效應(yīng)，是秦山一期閥門(mén)故障的主要失效模式。由于不同地區(qū)海水狀況不同，因而各電廠閥門(mén)的失效模式也不盡相同。如嶺澳地區(qū)的海水中氯離子含量高，而泥沙含量低。秦山地區(qū)的海水氯離子含量低而泥沙含量高。如嶺澳核電廠的兩臺(tái)對(duì)夾式蝶閥，原來(lái)法國(guó)進(jìn)口的閥門(mén)，一個(gè)周期下來(lái)閥門(mén)腐蝕嚴(yán)重，改為國(guó)內(nèi)某企業(yè)的產(chǎn)品后，閥板采用不銹鋼材質(zhì)，一個(gè)周期下來(lái)，腐蝕加上流體沖擊閥軸斷掉了。閥板也找不著了。原因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)海水中泥沙含量比較小，氯離子含量高，且系統(tǒng)溫度偏高，氯離子對(duì)金屬材料的腐蝕能力增大。因此，氯離子腐蝕是其主要原因。

2.2 防腐涂層、襯里脫落失效

秦山一期一些鑄鐵襯膠閥門(mén)，由于橡膠存在老化機(jī)理，一些襯膠工藝較差的閥門(mén)襯膠層運(yùn)行幾年內(nèi)開(kāi)始剝落，導(dǎo)致受襯膠層保護(hù)的內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。如6號(hào)循泵出口碟閥等。

2.3 均勻腐蝕失效

主要是海水中氧含量豐富且含有次氯酸鈉，金屬鈍化膜不易形成，產(chǎn)生吸氧腐蝕。均勻腐蝕在我廠原鑄鐵閥門(mén)中普遍存在。

2.4 電偶腐蝕失效

因?yàn)楹Ｋ疄閺?qiáng)電解質(zhì)，不同金屬部件之間存在電位差，為電位較低的金屬加快腐蝕創(chuàng)造了條件。如我廠循泵出口閘閥的銅制閥座和閥體之間。

2.5 閉塞電池腐蝕失效

閥門(mén)密封面，和內(nèi)部的一些固定螺栓，縫隙處易發(fā)生氧濃度差，造成腐蝕效應(yīng)。如海水中密封面縫隙，螺紋底部等都有一定閉塞電池腐蝕。

2.6不銹鋼因氯離子產(chǎn)生的點(diǎn)蝕失效

不銹鋼接觸到高濃度氯離子，容易產(chǎn)生氯離子的吸附作用，容易產(chǎn)生電離現(xiàn)象;由于氯離子的化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)，容易把氧化物中的氧原子擠掉，然后氯離子和鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合形成可溶性的氯化物，這樣基體有化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了腐蝕。如大亞灣部分304材料管閥產(chǎn)生腐蝕穿孔。

3不同系統(tǒng)工況對(duì)缺陷的影響

3.1 溫度對(duì)海水閥門(mén)腐蝕的影響

溫度對(duì)不同材質(zhì)在海水中的溶解氧濃度、離子轉(zhuǎn)移速率、腐蝕膜生成速度、腐蝕速率都有較大影響，隨著海水溫度增加氯對(duì)金屬的剝離作用增大，腐蝕電流增大，腐蝕速率升高，其次溫度越高原子的活性越大，加上氯離子半徑小穿透能力強(qiáng)易進(jìn)入鈍化膜內(nèi)部，導(dǎo)致鈍化膜破壞，使陽(yáng)極鈍化傾向減小，腐蝕速率增加。如我廠海水一些熱交換器進(jìn)出口閥門(mén)的腐蝕情況還是存在差異的，出口側(cè)閥門(mén)的腐蝕情況比進(jìn)口側(cè)要嚴(yán)重。

3.2 流體的流態(tài)對(duì)沖刷腐蝕的影響

流體的流態(tài)對(duì)沖刷腐蝕也有極大的影響，流體的流動(dòng)狀態(tài)一般有層流和湍流兩種，它取決于流體的流速、流體的性質(zhì)（如黏度密度等）和設(shè)備的幾何形狀。層流時(shí)供氧量比較少，金屬能形成保護(hù)膜流體對(duì)金屬的剪切應(yīng)力小。湍流時(shí)不僅加速了腐蝕劑的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，而且增加了流體和金屬之間的剪切應(yīng)力。一般起調(diào)節(jié)作用的閥門(mén)湍流現(xiàn)象比較嚴(yán)重，如HLS-36V/37V和凝氣器進(jìn)出口電動(dòng)蝶閥等閥板就容易損傷。

3.3 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響

長(zhǎng)時(shí)間備用狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)備，由于系統(tǒng)中泥沙堆積過(guò)多，也易引起卡澀，不能開(kāi)關(guān)等缺陷。

4 結(jié)論

針對(duì)秦山一期系統(tǒng)缺陷的種類進(jìn)行了分析，分析了海水泥沙沖刷、海水腐蝕、溫度影響、選材及防腐襯里等損傷失效模式進(jìn)行分析，對(duì)后續(xù)針對(duì)性進(jìn)行防護(hù)及維修和改造提供參考。

作者簡(jiǎn)介：

臧家林（1978-），男，漢族，黑龍江寧安人，本科，高級(jí)工程師。

（核電運(yùn)行研究（上海）有限公司，上海 200126）