核電廠水池結構不銹鋼覆面在模擬泄漏環境中的腐蝕性能研究

劉 忠 韓傳偉 劉洪群

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠機組反應堆水池及乏燃料水池不銹鋼覆面不銹鋼板材焊接而成，以容納水池內部大量硼酸水[1]。對于M310和CPR1000堆型而言，水池結構材料通常由厚度3～6mm的304L不銹鋼覆面構成。對于三代機組而言，水池結構材料通常由S32101等雙相不銹鋼等構成。覆隨著服役時間的增長，水池結構出現泄漏的可能性也隨之增加，國內外已經出現多起水池泄漏的事件[2,3]。

水池不銹鋼覆面的焊縫及熱影響區域往往是腐蝕敏感部位。就介質而言，水池內部介質通常為硼酸水，呈弱酸性。以大亞灣為例，水池內部介質要求為B3+濃度2300～2500mg/L、Cl-和F-濃度＜0.15mg/L。水池結構泄漏的失效機理主要包括原始焊接缺陷、不銹鋼覆面從水側開始的腐蝕、不銹鋼覆面從混凝土側開始的腐蝕等。國內某核電廠水池不銹鋼覆面發生開裂，斷口顯示氯離子濃度（質量分數）達0.18%[4]。徐為民、張微嘯等人研究了304L不銹鋼在硼酸水中的腐蝕行為[5,6]。本工作以304L不銹鋼焊接件為研究對象，在模擬泄漏水環境開展相關點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕試驗，并與硼酸水以及標準溶液進行對比，研究材料的腐蝕行為。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料選用滿足ASME A240的S30403，焊材選用滿足AWS A5.9-2015的ER308L，具體成分如表1所示。對試驗材料進行顯微組織檢驗，母材組織為孿晶奧氏體組織，如圖1所示。

表1 化學成分分析結果

1.2 試驗方法

1.2.1 點蝕浸泡試驗

點蝕分析依據GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕-點蝕評定方法》進行。將材料置于6% FeCl3溶液、硼酸溶液（2400mg/L B3+）、硼酸+NaCl（2400mg/L B3++ 1800mg/L Cl-）介質中進行點蝕浸泡實驗，其中硼酸+NaCl為模擬泄漏水環境。用碳化硅砂紙將試樣表面研磨到1200號，焊縫保持原始表面。測量試樣尺寸、清洗后并稱重。用去離子水及分析純 6% FeCl3溶液，然后加熱至35℃，最后將試樣置于塑料支架上并在密封溶液中浸泡48h。試驗結束后，清除試樣表面的腐蝕產物，采用光學顯微鏡和照相機觀察記錄試樣表面形貌，測失重并計算試樣單位時間單位面積的腐蝕速率。

1.2.2 電化學試驗

參照GB/T 17899-1999進行動電位極化曲線測試。用去離子水及分析純的硼酸和NaCl試劑配制試驗溶液，有二種：（1）含2400mg/L B3++1800mg/L Cl-的混合溶液；（2）2400mg/L B3+溶液。第一種為水池泄漏模擬溶液，第二種為水池內部介質溶液，試驗溫度為常溫。試樣為10×10×5mm的板狀，并且將試樣使用環氧樹脂密封，留出10×10mm的工作面。

1.2.3 晶間腐蝕試驗

試驗根據 GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕：不銹鋼晶間腐蝕試驗方法—方法E—不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》進行，從焊接板取2個焊縫試樣，試樣尺寸同金相試樣。用砂輪機磨平磨光試樣正反兩面，一個試樣做敏化處理（丙酮去油干燥后，在650℃保溫2h，空冷），一個試樣不敏化，將試樣的表面逐級打磨至600號碳化硅砂紙，再用丙酮清洗。用去離子水配置硫酸-硫酸銅試驗溶液。在帶回流冷凝器的磨口錐形燒瓶底部鋪一層銅屑，然后放置試樣，加入試驗溶液，通冷卻水，加熱試驗溶液并使之保持微沸狀態，連續試驗48h。試驗后取出試樣，用無水乙醇清洗后干燥后進行金相分析，分析晶間腐蝕深度。

1.2.4 應力腐蝕試驗

依據YB/T 5362-2006《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應力腐蝕試驗方法》進行應力腐蝕試驗。從焊縫部位截取片狀試樣6個，將樣品制成片狀試樣（試樣尺寸75×10×2mm），并打磨至2000號砂紙，然后彎曲至180°，使得試樣外表面形成拉應力，然后取每組兩個試樣浸泡在沸騰氯化鎂（45%）中，每0.5h觀察一次，直至出現裂紋。同樣每組取兩個試樣浸泡在硼酸溶液（2400mg/kg）、硼酸+NaCl（硼酸2400mg/kg，Cl-1800mg/kg）中35℃浸泡72h，觀察是否出現裂紋。

2 試驗結果與討論

2.1 點蝕浸泡試驗結果

點蝕浸泡試驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，焊接試樣三氯化鐵溶液中發生明顯腐蝕，水池內介質（2400 mg/L B3+）和模擬泄漏環境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）未發生明顯腐蝕；三氯化鐵溶液中點蝕部位呈隨機分布，表明焊縫、熱影響區和母材的耐點蝕性能無明顯差別。表2為點蝕失重結果。從表中可以看出，304L材料在三氯化鐵介質中發生明顯點蝕而失重較大，達1.3653g，水池內介質（2400 mg/L B3+）和模擬泄漏環境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）介質中失重遠遠低于三氯化鐵介質失重，表明304L材料在水池內介質和模擬泄漏環境中耐點蝕性能較好，不易發生點蝕。

圖2 點蝕浸泡試驗結果（自上而下分別為三氯化鐵、硼酸溶液、硼酸+NaCl）

2.2 電化學試驗結果

圖3為模擬泄漏環境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）中的極化曲線。從圖中可以看出，焊縫和熱影響區的點蝕電位和自腐蝕電位基本一致，母材的點蝕電位和自腐蝕電位略高于焊縫和熱影響區，說明母材的耐點蝕性能略好于焊縫和熱影響區，但相差不大。

圖3 2400 mg/L B3++1800mg/L Cl的混合溶液中的極化曲線

圖4為水池內介質（2400mg/L B3+）中的極化曲線。從圖中可以看出，母材、焊縫和熱影響區的點蝕電位和自腐蝕電位基本一致，說明硼酸水中三者的耐點蝕能力都非常好。

圖4 2400 mg/L B3+溶液中的極化曲線

圖3和圖4相比較而言，水池內介質中點蝕電位為1.3～1.4V，模擬泄漏環境中點蝕電位為0.3～0.4V，兩者相差非常大。也就是說，同樣材料在模擬泄漏環境中比在水池內介質中更易于發生點蝕。

2.3 晶間腐蝕試驗結果

晶間腐蝕結果如圖5所示。從圖中可以看出，敏化試樣和未敏化試樣晶界未出現碳化物，均未出現晶間腐蝕。

圖5 晶間腐蝕試驗結果

2.4 應力腐蝕試驗結果

沸騰氯化鎂（45%）浸泡試樣在4h后出現裂紋，裂紋從外表面啟裂，垂直向內表面擴展直至開裂，如圖6所示。表明304L材料在高濃度的Cl-環境下具有較強的應力腐蝕敏感性。另外在水池內介質（2400mg/L B3+）和模擬泄漏環境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）溶液中的浸泡72h的試樣，未出現應力腐蝕裂紋。

圖6 應力腐蝕試驗結果

3 結語

通過上述分析可以得到以下結論：

（1）在模擬泄漏環境下，核電廠水池材料304L不銹鋼母材的耐點蝕能力略好于焊縫和熱影響區，在模擬泄漏環境中比在水池內介質中更易于發生點蝕；

（2）在模擬泄漏環境下，核電廠水池材料304L不銹鋼具有良好的抗晶間腐蝕和應力腐蝕能力。