某核電站安全廠用水系統(tǒng)奧氏體不銹鋼儀表管泄漏原因

李鴻遠(yuǎn), 張彥召, 張舟永, 劉洪群, 潘姚凡

(1.中廣核蒼南核電有限公司, 溫州 325000；2.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

濱海核電站將海水作為核島和常規(guī)島的最終冷源，將各種設(shè)備和構(gòu)筑物產(chǎn)生的熱量帶入大海。海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了較為嚴(yán)格的防腐蝕設(shè)計(jì)，如采用耐海水腐蝕等級(jí)高的材料[1-2]，通過內(nèi)壁涂層或襯里隔離海水[3]，以及采用犧牲陽極保護(hù)法[4]或外加陰極保護(hù)電流[5]保護(hù)金屬不被腐蝕。核島安全廠用水(SEC)系統(tǒng)的主要功能是將設(shè)備冷卻系統(tǒng)(RRI)傳輸?shù)臒崃總鞯胶Ｋ?。SEC系統(tǒng)作為一種重要的安全系統(tǒng)，在正常運(yùn)行和事故工況條件下，該系統(tǒng)都能將與安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備傳來的熱量輸送到最終熱阱[6-7]。

某核電站SEC系統(tǒng)管道內(nèi)部為海水，外部為濱海鹽霧環(huán)境,主管道材料為碳鋼，通過表面涂層和外加陰極保護(hù)電流進(jìn)行防護(hù)。主管道上的儀表管采用法國RCC-M M3304-2007DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands標(biāo)準(zhǔn)中的Z2CND1712鋼，對(duì)應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)中的022Cr17Ni12Mo2鋼，即316L不銹鋼。儀表管和主管道之間通過管座法蘭連接，儀表管和法蘭管座通過焊接連接，焊接方法為氬弧焊，該系統(tǒng)管道在已運(yùn)行的6 a中發(fā)生多次儀表管穿孔導(dǎo)致的泄漏事件。泄漏位置在儀表管和法蘭管之間的焊縫處，如圖1所示。

圖1 SEC系統(tǒng)儀表管的泄漏位置示意

為查明該儀表管泄漏的原因，筆者對(duì)泄漏管段進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該泄漏儀表管壁厚約為2.5 mm，管徑為14.5 mm。由圖2可見：該儀表管泄漏位置靠近焊縫，其周圍有多個(gè)貫穿性凹坑，儀表管內(nèi)壁附著有紅褐色腐蝕物，靠近焊縫區(qū)域顏色較深。

圖2 泄漏儀表管內(nèi)、外壁的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)該泄漏儀表管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可知儀表管的化學(xué)成分均符合RCC-M M3304-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Z2CND1712鋼的技術(shù)要求。

表1 泄漏儀表管的化學(xué)成分

1.3 硬度測(cè)試

對(duì)該泄漏儀表管進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示，可知儀表管母材及焊縫處的硬度均勻，未見異常。

表2 泄漏儀表管的硬度

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)該儀表管泄漏位置的顯微組織進(jìn)行觀察。由圖3可見：儀表管母材組織為孿晶奧氏體，晶粒度為5～6級(jí)；焊縫組織為鑄態(tài)枝晶，組織正常，焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)未熔合、氣孔等焊接缺陷。在該儀表管泄漏位置截面截取試樣進(jìn)行顯微組織形貌觀察。如圖4所示，泄漏位置離焊縫較近，處于熱影響區(qū)，儀表管內(nèi)、外壁泄漏位置附近均分布有凹坑，管道內(nèi)壁的凹坑數(shù)量較多。

圖3 儀表管泄漏位置不同區(qū)域的顯微組織

圖4 儀表管內(nèi)、外壁泄漏位置附近貫穿孔的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)該儀表管內(nèi)壁的凹坑進(jìn)行微觀形貌觀察。如圖5所示，該儀表管內(nèi)壁凹坑向內(nèi)擴(kuò)展，凹坑底部可見明顯的晶粒特征，為典型的點(diǎn)蝕坑特征形貌。

圖5 泄漏儀表管內(nèi)壁凹坑的SEM形貌

2 分析與討論

點(diǎn)蝕是服役于海水環(huán)境中的奧氏體不銹鋼最常發(fā)生的局部腐蝕類型之一。受縫隙腐蝕、污垢以及微生物[8-9]等影響，Z2CND1712奧氏體不銹鋼表面鈍化層會(huì)被Cl-破壞而發(fā)生點(diǎn)蝕。同時(shí)，焊接過程會(huì)嚴(yán)重影響該材料的耐點(diǎn)蝕性能。常規(guī)的奧氏體不銹鋼焊接接頭不同區(qū)域的點(diǎn)蝕敏感性從大到小依次為熱影響區(qū)、母材、焊縫。熱影響區(qū)點(diǎn)蝕敏感性最大的原因是在焊接過程中其表面形成了不具備保護(hù)功能的貧鉻氧化層[10]，常被稱為“回火色”區(qū)域，回火色顏色越深，發(fā)生點(diǎn)蝕的可能性越大。在現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中，很難避免該類材料表面產(chǎn)生一定程度的回火色，通常采用打磨和酸洗鈍化的方式進(jìn)行去除。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該批次SEC系統(tǒng)儀表管采用氬弧焊進(jìn)行焊接，外壁由氬氣保護(hù)，內(nèi)壁沒有實(shí)施保護(hù)氣氛。在焊接過程中，儀表管接頭內(nèi)壁的熱影響區(qū)形成了嚴(yán)重的回火色，且沒有進(jìn)行打磨或酸洗鈍化。儀表管的泄漏位置位于焊縫熱影響區(qū)，內(nèi)、外壁泄漏位置附近均有大量不同深度的點(diǎn)蝕坑，其中內(nèi)壁點(diǎn)蝕較為嚴(yán)重，內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)管壁，導(dǎo)致儀表管泄漏。

實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免不銹鋼管道發(fā)生點(diǎn)蝕，可進(jìn)行以下改善措施：

(1) 焊接時(shí)控制焊接工藝參數(shù)，減輕熱影響區(qū)的回火色，如減小焊接電流，增加焊接速率，在管道內(nèi)實(shí)施保護(hù)氣氛，焊后進(jìn)行表面酸洗鈍化處理；

(2) 加強(qiáng)管道點(diǎn)蝕敏感區(qū)域的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)泄漏區(qū)域；

(3) 重要區(qū)域的儀表管采用耐點(diǎn)蝕性能更高的材料，如超級(jí)奧氏體不銹鋼S31254。

3 結(jié)論及建議

(1) 核電站SEC系統(tǒng)儀表管泄漏的主要原因是管道內(nèi)壁焊接熱影響區(qū)形成嚴(yán)重的回火色，即貧鉻氧化層，在海水中氯離子的作用下，內(nèi)部形成點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑不斷擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)管壁，導(dǎo)致儀表管泄漏。

(2) 建議通過優(yōu)化焊接工藝來緩解不銹鋼焊縫處的點(diǎn)蝕敏感性，加強(qiáng)監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)泄漏區(qū)域，重點(diǎn)區(qū)域管道采用更耐海水點(diǎn)蝕的材料。