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壓力容器腐蝕的原理研究

發布時間:08-17  

核電站反應堆壓力容器(RPV)是核電站反應堆冷卻劑壓力邊界屏障中的一個重要設備。它主要用來裝載反應堆堆芯,密封高溫、高壓的冷卻劑,屬一級安全設備,要求在各種運行工況和試驗條件下均能保持結構完整,不會發生放射性物質的泄漏。



2密封結構設計因換料需要,反應堆壓力容器結構上必須有一個全直徑的大開口密封(RPV內徑為3374?mm)?,為了滿足要求,按照美國ASME鍋爐和壓力容器規范第Ⅲ卷第NB分冊關于核一級設備的要求和參考世界各國的經驗,采用了如下的密封結構設計:容器法蘭
和頂蓋采用48根主螺栓,并籍兩道同心配置在頂蓋密封槽中的Inconel―718合金的自緊式鍍銀O形環來連接和緊固密封。



3腐蝕情況秦山核電站反應堆壓力容器是在1990年10月底首次扣蓋,并利用螺栓拉伸機作了密封緊固,于11月初冷態水壓試驗一次成功。隨后進行了各種項目的一回路冷態和熱態試驗,1991年4月開蓋檢查,發現上封頭密封槽中密封面和筒體法蘭密封面上的點狀腐蝕。腐蝕點的位置,縱向剖面方向見圖1,上封頭法蘭密封面,筒體法蘭密封面。



在開蓋檢查和現場補焊修復中,共記錄了上封頭密封槽中密封面上腐蝕點27處(含可疑點及劃傷)?,最深處為0125?mm;筒體法蘭密封面上腐蝕點共14處,最深處也是0125?mm.



4腐蝕原因分析腐蝕原因從設計、制造、試驗及使用等各個環節去查找、分析。



411設計方面為減少腐蝕產物和保持介質的潔凈,容器內壁和與介質接觸的表面均堆焊了一層6?mm厚的超低碳不銹鋼
。焊后經熱處理,再機加工到表面光潔度8(折合成當時的中國國標),并對鐵素體含量也予以限制,具有良好的抗晶間腐蝕和抗其它各種類型腐蝕的能力,因而設計是安全可靠的。



412制造及安裝制造是按最嚴格的程序進行生產和檢驗的。不銹鋼堆焊層各項指標均符合技術條件的要求,產品出廠前內表面經過嚴格的清潔處理,然后加干燥劑密封充氮包裝后運至現場。



設備在安裝后投用前,經過嚴格的回路沖洗和擦洗,扣蓋前對上封頭內表面仔細清潔處理,O形環的安裝更是在有關專家的指導下嚴格遵守程序進行,清潔度有可靠的保證。



413水壓試驗唯一可能引起表面腐蝕的環節,即初裝水和補充水的水質。據查,有兩點與技術要求不符:(1)在CHT(冷態水壓試驗)和HFT(熱態試驗)之間沒有按規定加入聯胺(N?2?H?4)。



(2)初裝水水質指標與有關標準不完全一致,其中電導率偏高,氯離子含量也偏高,經研究認為這是產生腐蝕的主要原因。對于(1)?,按美國和法國標準規定,只有當水溫超過65℃時才有必要加入聯胺,秦山正是這樣做的,因此在CHT和HFT之間未加入聯胺可能不是主要原因。對于(2)?,初裝水水質比有關要求差一些,但基本上符合美國西屋公司的標準。



真正的問題可能是出在:冷、熱態試驗過程中發生的操作失誤,使水質在短時內嚴重超標,雖然很快處理好了,但進入O形環與密封面之間縫隙死角區的超標雜質卻很難再被置換出來,這才是產生腐蝕的真正原因。



5腐蝕機理分析根據核電站RPV法蘭密封面上所發生的腐蝕點的形態和特征,顯然它不屬于化學腐蝕,而是在導電的液態介質中由于電化學作用而導致的腐蝕,即電化學腐蝕。不是均勻腐蝕,而是屬于典型的局部腐蝕。核電站RPV法蘭密封面上發現的點狀腐蝕幾乎都處于與一回路水直接接觸的內側O形環與密封面接觸的密封線里側的局部區域。根據試驗的過程,分析其腐蝕的原因。



(1)初裝水所含微量氣體氧,加上熱態試驗前主泵點動趕氣過程中部分含氧氣體可能進入這個縫隙死區,使這個局部小空間內的氣體中含氧濃度增大。



(2)盡管一回路水質要求極高,但由于操作失誤,使水質在短時間內嚴重超標(至少出現過兩次失誤)?,后來采取措施,使水質很快恢復正常。但在發生腐蝕的部位,由于處于死角區,超標的水難以被置換出來,有可能在一回路水的循環過程中逐步積聚雜質(即雜質進入縫隙區比離開縫隙區要容易些)?,使得這個局部區域的雜質(可能包括最有害的氯離子等)有可能達到相當于電解質或腐蝕介質的水平,從而導致了電化學腐蝕的發生。



(3)雖然法蘭密封面是由含碳量≤0104?%的不銹鋼經堆焊后再加工出來的,具有良好的抗腐蝕能力。但由于金屬和合金固有的表面宏觀和微觀的不均勻性(合金成份的偏析,微量非金屬雜質的存在,表面冷加工的不均勻性所造成的各部位內應力不均勻等),以致在金屬表面各宏觀部位或各微小區域之間存在電極電位差。



(4)根據電化學腐蝕原理,在縫隙中只要有腐蝕介質,就可能發生氧化還原反應。



由于在縫隙的里側氧的供應不足,所以在A部位的氧很快被耗盡,于是還原反應是在氧氣比較充足的縫隙外側進行,而在A部位只進行氧化反應。按電化學腐蝕的原理,氧化反應區即陽極反應區,也就是金屬被腐蝕區。



(5)隨著A部位陽極反應的進行,?A部位金屬離子數增多,為了保持溶液的中性,?B部位的電解質負離子將很快遷移進來,在A部位形成高濃度腐蝕介質(例如Cl?-)的鹽類,它們再水解(例如FeCl?2?+?2H?2?O→FeOH?2?+?2H?+?+?2Cl?-),使A部位酸性增高,從而加速了A部位的腐蝕,而流向B部位的電流,又使B部位受到了陰極保護,這就是腐蝕均發生在A部位的機理。



(6)并不是在所有的A部位都發生了氧化反應。由于在金屬表面的宏觀和微觀不均勻性和表面鈍化膜的不均勻性,使某些薄弱點首先被突破,于是該點的鈍化膜被損壞,該點的局部金屬成為陽極被溶解,開始形成蝕孔,而未遭破壞的地方仍保持鈍態,成為陰極,組成了鈍化―活化電池。由于開始時腐蝕點很小,從而造成大陰極、小陽極的不利局面,陽極電流很大,腐蝕很快,而流向蝕孔周圍的電流,又使蝕孔周圍受到陰極保護。在腐蝕孔內,隨著陽極反應的進行,按上述(5)的同樣道理,將出現酸性增高,從而加速腐蝕,這就是在A部位也只有少數點發生腐蝕的機理。



通過對腐蝕點的測量和腐蝕機理分析,并及時處理和修補了腐蝕點,使密封面恢復到完好狀態,核電站的安裝調試工作得以順利進行。通過這次事件,取得了第一手工藝資料,儲備了一種應急的技術處理手段。這種對腐蝕點的腐蝕機理分析與處理,不僅可用于腐蝕問題的處理,也可用于對其它問題等處理上。



秦山核電站投產12年來,安全穩定運行,業績良好。經歷7次換料大修,在每次的RPV揭蓋檢查中,均未在法蘭密封面處發現任何形式的腐蝕現象。這說明了當時對腐蝕腐蝕機理分析是正確的,補修處理的手段是得當的,方法是可行的,為該設備的長期安全運行奠定了基礎。

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