核電廠海水閥門螺栓腐蝕原因分析及解決措施

方 旭 李智強(qiáng) 張 曉 周 澄 吳昉赟 劉洪群

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠海水冷卻水系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)空氣冷卻器提供冷卻水，及時(shí)帶走發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。一旦海水冷卻水系統(tǒng)發(fā)生故障，將影響發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的正常運(yùn)行，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致核電廠停機(jī)事件的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)某核電廠在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)海水冷卻水系統(tǒng)多個(gè)閥門的閥瓣固定螺栓發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，影響閥門的正常工作，如圖1所示。該閥門為海水過(guò)濾器出口閥，閥瓣和螺栓均為不銹鋼材料，其中閥瓣材料為316L（022Cr17Ni12Mo2）不銹鋼，螺栓材料431（14Cr17Ni2）不銹鋼。

圖1 閥門螺栓腐蝕形貌

本文就閥門螺栓腐蝕原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)建議。

1 閥門螺栓腐蝕原因分析

1.1 成分分析

使用便攜式合金分析儀對(duì)閥門閥瓣和螺栓進(jìn)行材料成分分析，具體成分如表1所示。從表中可以看出，閥瓣和螺栓的主要合金成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中閥瓣的Ni和Cr以及螺栓的Cr含量均略高于標(biāo)準(zhǔn)下限。

表1 閥瓣和螺栓化學(xué)成分

1.2 介質(zhì)分析

閥門所處介質(zhì)為海水，水質(zhì)情況如表2所示。從表中可以看出，介質(zhì)中含有大量的Cl-、Na+，同時(shí)還含有Mg2+、K+、Ca2+、SO32-、HCO3-等離子，其中Cl-會(huì)破壞不銹鋼材料表面的鈍化膜，從而引起不銹鋼發(fā)生腐蝕[1]。

表2 閥門介質(zhì)水質(zhì)

1.3 腐蝕原因分析

1.3.1 耐點(diǎn)蝕性能分析

不銹鋼在海水環(huán)境下服役易于發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能與不銹鋼的化學(xué)成分密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)不銹鋼腐蝕研究工作者的長(zhǎng)期工作，已經(jīng)建立耐點(diǎn)蝕性能和化學(xué)成分的關(guān)系式，稱為耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE，Pitting Resistance Equivalent）[2]，其中最常用的公式為：

式中，化學(xué)元素Cr%，Mo%，N%表示其百分含量。

根據(jù)上式對(duì)閥瓣和螺栓進(jìn)行計(jì)算，如表3所示，閥瓣的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量為23.56，螺栓的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量為16.21，由于添加了Mo，使得閥瓣的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量明顯高于螺栓的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量，在相同的環(huán)境下，螺栓更容易發(fā)生點(diǎn)蝕而發(fā)生破壞。

表3 閥瓣和螺栓點(diǎn)蝕當(dāng)量計(jì)算

1.3.2 電偶腐蝕分析

當(dāng)兩種金屬材料在海水中相互接觸時(shí)，即組成一對(duì)腐蝕電池，因各自的自腐蝕電位不同，使得自腐蝕電位較高的金屬成為陰極，自腐蝕電位較低的金屬成為陽(yáng)極，形成電偶腐蝕，如圖2所示。自腐蝕電位較高的金屬受到保護(hù)，自腐蝕電位較低的金屬加速腐蝕，尤其對(duì)于大陰極小陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)，自腐蝕電位較低的金屬將大大提高腐蝕速度。

圖2 電偶腐蝕示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，閥門閥瓣和螺栓均浸沒(méi)于海水中。閥瓣和螺栓通過(guò)金屬墊片進(jìn)行連接，具有良好的電連接性。閥瓣材料為奧氏體不銹鋼316L（022Cr17Ni12Mo2），具有較高的自腐蝕電位，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下海水中的自腐蝕電位一般為-0.15～-0.16V[3]，實(shí)海中自腐蝕電位可高達(dá)0.32V[4]；螺栓的材料為馬氏體不銹鋼431（14Cr17Ni2），在實(shí)驗(yàn)室海水環(huán)境中的自腐蝕電位為-0.34V[5]。閥瓣的自腐蝕電位高于螺栓的自腐蝕電位，兩者的電位差為0.18～0.19V，具有較為明顯的電位差，形成電偶腐蝕，閥瓣會(huì)受到保護(hù)，螺栓會(huì)加速腐蝕。而且，閥瓣的接觸面積遠(yuǎn)大于螺栓的接觸面積，如圖3所示，具備典型的大陰極小陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，螺栓的腐蝕速率會(huì)進(jìn)一步加快，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生腐蝕失效。

圖3 閥門示意圖

2 解決措施及建議

2.1 材料更換

在強(qiáng)度達(dá)到要求的情況下，螺栓材料更換為耐點(diǎn)蝕性能更好、自腐蝕電位較高的材料，例如雙相不銹鋼或超級(jí)奧氏體不銹鋼等。

2.2 絕緣套筒

在螺栓與閥瓣之間增加絕緣套筒，切斷螺栓和閥瓣之間的電連接，保證無(wú)法形成回路，從而避免電偶腐蝕的發(fā)生。

2.3 螺栓表面鍍層

對(duì)螺栓表面進(jìn)行電鍍一層耐蝕涂層，例如鉻等，提高螺栓的自腐蝕電位和耐點(diǎn)蝕性能，避免螺栓成為陽(yáng)極而加速溶解。

3 結(jié)語(yǔ)

海水閥門作為核電廠海水冷卻水系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行及臨時(shí)隔離檢修都有重要作用，因此該設(shè)備的安全穩(wěn)定性應(yīng)得到重視，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題，需要及時(shí)采取合適的防范措施，避免運(yùn)行事件發(fā)生。