某核電站熱試期間堆芯上柵格板嵌入件腐蝕原因分析

董洪全 馬大海 李 克

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

如圖1所示，某核電站堆芯上柵格板為反應堆燃料組件提供定位，其邊緣開有4個定位鍵槽，每個鍵槽左右兩側裝有嵌入件，嵌入件表面堆焊鈷基合金。在熱試后檢查發(fā)現嵌入件表面的鈷基合金出現多處損傷，損傷以凹坑和擦痕的形式呈現，并存在黑色殘留物。對損傷部位放大觀察（如圖2所示），發(fā)現損傷呈現較為典型的局部腐蝕形貌。本文從嵌入件及腐蝕部位、腐蝕產物方面展開分析。

圖2 嵌入件腐蝕缺陷形貌（50×）

1 失效分析

核電在嵌入件基體上堆焊有鈷基合金，其磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異[1,2]，為了探究嵌入件表面腐蝕原因，本文進行了成分測試、金相試驗、硬度檢驗、SEM和能譜分析等實驗測試。

1.1 成分分析

本文對距熔合線5mm處焊縫橫截面合金成分進行了分析，如表1所示，堆焊層縱向表面合金成分符合RCC-M MC1350規(guī)范要求。

表1 距熔合線5mm處堆焊層化學成分檢驗結果（wt%）

對見證件進行SEM微觀分析，圖3為距熔合線5 mm處縱向橫截面的SEM形貌，其結果表明各主要合金元素分布均勻，未發(fā)現明顯偏析現象。

圖3 距熔合線5 mm處縱向表面的SEM面掃描結果（500×）（a：焊縫表面形貌；b：焊縫表面Fe分布；c：焊縫表面Cr分布；d：焊縫表面Co分布；e：焊縫表面C分布；f：焊縫表面W分布）

1.2 硬度測試

對堆焊層進行洛氏硬度測試，結果如表2所示。其硬度符合RCC- M MC1280標準，

表2 距熔合線5mm處縱向試樣表面的硬度檢驗結果

1.3 金相分析

對樣品進行金相分析，圖4為嵌入件母材組織形貌，表明基體母材為孿晶奧氏體組織，晶粒度為4～5級，未見異常。圖5為熔合區(qū)組織形貌，可以看出堆焊層單層厚度約1.8mm，熔合區(qū)晶粒粗大，發(fā)生碳遷移現象，為正常焊接組織，未見異常；圖6為距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌，可以看出堆焊層縱向截面焊縫組織為鑄態(tài)奧氏體，未見異常；綜上所示，焊縫組織未發(fā)現偏析、夾渣、微裂紋和未融合等缺陷，未見異常。

圖4 螺栓絕緣套筒示意圖

圖4 嵌入件母材組織形貌

圖5 堆焊熔合區(qū)組織形貌

圖6 距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌

1.4 殘留物的微觀分析

對嵌入件表面的黑色殘留物進行SEM微觀分析，殘留物的微觀形貌如圖7所示。如表3所示，殘留物中除W、Cr、Co等元素外，還有微量的Cl元素。

表3 不同殘留物（垢樣）中主要合金元素成分（wt%）

圖7 殘留物的微觀形貌（1000×）

殘留物中Cl元素為外來元素，依據其運行工況和安裝環(huán)境分析[3]，可能是在裝配過程中引入的。經調查，裝配過程使用了潤滑油，則對涂抹的同類型潤滑油進行檢測，結果表明潤滑油中含有氯元素（如表4所示）。

表4 潤滑劑S、Cl、F元素檢測結果

2 結果與討論

樣品的化學成分、金相結構、硬度均符合規(guī)范要求，SEM檢查表明各主要合金元素分布均勻，未發(fā)現明顯偏析現象，但在腐蝕產物的SEM和能譜分析檢查中發(fā)現了氯元素，且分析證明其來自裝配過程中使用的潤滑劑。同時，對嵌入件與定位銷之間的裝配尺寸進行測量，發(fā)現嵌入件與導向銷之間的大部分縫隙尺寸恰好在縫隙腐蝕敏感縫寬（0.025～0.1mm）的范圍內[4]，而嵌入件表面堆焊層使用的是Stellite 6鈷基合金，其對縫隙腐蝕敏感，進而潤滑劑中的氯元素增加了縫隙腐蝕的發(fā)生傾向。

在熱試條件下，堆內構件因激勵源作用產生的流致振動較為嚴重，當縫隙中積聚一定的雜質顆粒和氧化物顆粒，振動摩擦將導致微粒破壞Stellite 6合金的鈍化膜，使縫隙腐蝕的腐蝕速率增加。

綜上所述，導致嵌入件在熱試中發(fā)生腐蝕可能由安裝縫隙、潤滑劑帶來的氯離子和振動三個因素共同作用的結果。

3 結語

（1）導致堆內構件中嵌入件發(fā)生腐蝕的原因是它與導向銷之間的大部分縫隙尺寸恰在縫隙腐蝕敏感縫寬（0.025～0.1mm）的范圍內，且在氯離子和摩擦的作用下發(fā)生了縫隙腐蝕；

（2）在設備安裝過程中，應嚴格控制外來元素的引入，尤其是鹵素。