換料水池鋼覆面氯離子穿晶應(yīng)力腐蝕開裂


    1.基本情況


    反應(yīng)堆換料水池鋼覆面由304L不銹鋼焊接而成，厚度3mm。環(huán)形槽位于反應(yīng)堆堆腔，環(huán)形槽內(nèi)圈的密封環(huán)與壓力容器突沿相連，外圈為J形槽（為換料水池鋼覆面的一部分），通過不銹鋼支撐環(huán)與密封環(huán)連接形成環(huán)形槽。在反應(yīng)堆換料期間，換料水池充入停堆含硼水，換料結(jié)束后將含硼水排空并進(jìn)行沖洗和烘干等操作；反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間換料水池處于無水干燥狀態(tài)。


    在秦山二期1號(hào)機(jī)組109換料大修期間換料水池充水后發(fā)現(xiàn)鋼覆面的引漏管有水；液體滲透檢查（PT檢查）和反滲透法（只用PT滲透劑）均檢出J形槽和其它部位的鋼覆面焊縫、熱影響區(qū)多處存在裂紋。反饋到2號(hào)機(jī)組，在2號(hào)機(jī)組208換料大修期間對(duì)換料水池鋼覆進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在類似缺陷。


    2.試驗(yàn)分析


    對(duì)切割取樣的J型槽鋼覆面進(jìn)行化學(xué)成分分析、室溫拉伸試驗(yàn)，對(duì)缺陷部位進(jìn)行附著物掃的描電鏡及能譜（SEM/EDS）分析，斷口SEM/EDS分析、截面金相（OM）分析、X射線衍射法殘余應(yīng)力測試。分析結(jié)果顯示，附著物主要為硅酸鹽，含有氯元素；在接觸混凝土側(cè)的殘余應(yīng)力為5.4MPa~6.1MPa的拉應(yīng)力；裂紋為穿晶擴(kuò)展，在金相顯微鏡觀察下可見樹枝狀裂紋形貌（如圖1所示），裂紋斷口上覆蓋大量泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)中氯含量高，裂紋斷口可見大量河流花樣和魚骨狀花樣，裂紋斷口表現(xiàn)為脆性解理斷裂，在裂紋尖端存在氯，斷口中Cl含量高達(dá)0.32%。根據(jù)以上結(jié)果，判定換料水池鋼覆面缺陷的失效類型為典型的不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

圖1  裂紋的顯微形貌

 

    與換料水池鋼覆面接觸的混凝土添加劑由氯-偏共聚乳液（氯以有機(jī)物形式存在）替代了丙烯酸樹脂含水乳化液或苯乙烯含水乳化液。參考具有相同官能團(tuán)（~CH2-CH-Cl）的聚氯乙烯在高能射線輻照下的降解過程及機(jī)理，在中子射線及γ射線輻照下，氯-偏共聚乳液會(huì)產(chǎn)生HCl，HCl遇水電解形成Cl-促使不銹鋼覆面發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。在施工中沒有按照技術(shù)要求涂防塵防護(hù)油漆，使防水層沙漿中分解出來的氯會(huì)直接與不銹鋼覆面接觸，加速了應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)程。


    射線檢驗(yàn)插塞晶間應(yīng)力腐蝕開裂


    1.基本情況


    為在核電廠管道安裝期間實(shí)施環(huán)對(duì)接焊縫中心曝光射線照相檢查，設(shè)計(jì)有拆卸式射線檢驗(yàn)插塞導(dǎo)源（運(yùn)行期間的在役檢查不使用）。插塞與管道插塞孔采用螺紋連接，外部采用密封焊縫（插塞焊縫）。


    插塞焊縫其中有些屬于核級(jí)焊縫，如余熱排出系統(tǒng)（RRA）和安全注入系統(tǒng)（RIS）管道上的插塞焊縫為核1級(jí)，VVP（主蒸汽）管道上的為核2級(jí)。


    2012年秦山二期1號(hào)機(jī)組110換料大修期間對(duì)RRA插塞焊縫（焊縫編號(hào)M13）實(shí)施PT檢查，在插塞孔周邊管道母材上檢出5處線性顯示。M13屬核1級(jí)，工藝管道材質(zhì)Z2CND18-12（控氮）、規(guī)格323.9mm×28.58mm，插塞孔規(guī)格M27mm×1.5mm?，F(xiàn)場取樣進(jìn)行材料失效分析，并增加了插塞孔模擬加工及測試、插塞孔局部應(yīng)力分布有限元分析等分析項(xiàng)目。


    2.試驗(yàn)分析


    插塞孔內(nèi)螺紋和插塞外螺紋基本被磨平，表明存在過盈配合。斷口存在大量分布不均勻的腐蝕產(chǎn)物。管材截面裂紋起源于插塞孔附近，沿晶擴(kuò)展，在裂紋中部及尖端可見少量分支形態(tài)的微裂紋，其擴(kuò)展方式同樣為沿晶擴(kuò)展，如圖2所示。插塞截面裂紋擴(kuò)展方式與管材相同。插塞孔模擬加工及硬度測試結(jié)果表明插塞孔處管材和插塞局部發(fā)生了應(yīng)變-硬化。插塞孔應(yīng)力分布及大小計(jì)算結(jié)果顯示在插塞和插塞孔過盈配合情況下進(jìn)行焊接，在插塞孔近外表面處應(yīng)力最高。

 

   圖2  管材截面裂紋尖端顯微形貌

 

    根據(jù)以上結(jié)果，判定插塞孔處管材和插塞裂紋處存在較大的應(yīng)變-硬化，導(dǎo)致晶間應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展。


    從國內(nèi)外核電廠多起失效案例來看，非敏化不銹鋼晶間應(yīng)力腐蝕開裂部件的共同點(diǎn)是部件或部件局部發(fā)生了應(yīng)變-硬化。在管材及插塞基材顯微組織中未觀察到滑移帶，表明材料的真應(yīng)變小于12%，即插塞和管材的局部應(yīng)變引起的加工硬化機(jī)制為位錯(cuò)強(qiáng)化。PWR核電廠一回路水中氧和參與化學(xué)反應(yīng)的合金元素快速反應(yīng)，其生成的氧化物由于體積膨脹和對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙使得晶界處應(yīng)力進(jìn)一步集中，最后導(dǎo)致晶界強(qiáng)度降低，裂紋以沿晶擴(kuò)展的方式發(fā)展。


    熱交換器鈦板海水液固兩相流沖刷腐蝕


    1.基本情況


    秦山二期核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后，常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)（SRI系統(tǒng)，除鹽水）與設(shè)備輔助冷卻水系統(tǒng)（SEN系統(tǒng)，海水）的板式熱交換器（簡稱SRI/SEN板式熱交換器）頻繁發(fā)生因鈦板穿孔和鈦板橡膠密封墊失效引起的海水泄漏故障，鈦板的海水進(jìn)口區(qū)和導(dǎo)流區(qū)局部減薄。因故障頻發(fā)，維修費(fèi)用高昂，折合成設(shè)備費(fèi)用相當(dāng)于其使用壽命只有三年。


    2.試驗(yàn)分析


    RCA分析結(jié)論：直接原因是海水液固兩相流沖刷腐蝕（erosion-corrosion，腐蝕性磨損）；根本原因是針對(duì)秦山二期SEN系統(tǒng)的特定海水水質(zhì)，板間流速設(shè)計(jì)值過高，在鈦板海水進(jìn)口區(qū)和分流區(qū)范圍的海水流速位于沖刷腐蝕門坎速度值下限附近，海水懸浮物和泥沙沉積形成的局部堵塞使局部流速進(jìn)一步增大，在流速高于門坎速度值的局部區(qū)域，沖刷腐蝕導(dǎo)致鈦板減薄直至穿孔。


    3.4  主給水管道流動(dòng)加速腐蝕（FAC）


    1.基本情況


    2012年3月1號(hào)機(jī)組109大修期間對(duì)二回路部分管線進(jìn)行了管壁超聲波測厚，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)APA（主給水泵系統(tǒng)）前置泵后的第一個(gè)彎頭和兩臺(tái)主給水流量調(diào)節(jié)閥后的直管段發(fā)生了壁厚減薄超標(biāo)，隨即對(duì)此這兩個(gè)彎頭和兩個(gè)管段實(shí)施了更換處理。


    彎頭和閥后直管段的規(guī)格、材質(zhì)和給水流速分別為Φ406mm×11mm/ST45.8-Ⅲ/5.5m/s，Φ406.4mm×23.83mm/TU48C（RCCM-M1141）/5.1m/s，運(yùn)行水溫分別為149℃、230℃，實(shí)測壁厚分別為6.9mm~8.2mm、16.8mm~18mm。


    2.試驗(yàn)分析


    對(duì)更換下的彎頭和直管段均取樣進(jìn)行材質(zhì)分析、宏觀形貌和橫截面金相觀察、減薄區(qū)表面物相分析、掃描電鏡微觀形貌分析和有限元流體模擬分析。雖然彎頭和閥后直管段材質(zhì)實(shí)測化學(xué)成分均符合規(guī)范要求，但Cr含量僅分別為0.01wt％、0.025wt％。表面腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4，無其它有害元素（如S、Cl）和物相。金相組織為正常的鐵素體+滲碳體，微觀形貌呈“馬蹄坑”狀，在高倍下均發(fā)現(xiàn)每個(gè)“馬蹄坑”底部存在不同程度的氧化膜破裂形貌，呈旋渦狀發(fā)展，表明在流體作用下基體表面氧化膜不斷地溶解與再生成，流體在凹坑內(nèi)應(yīng)呈旋渦狀，氧化膜破裂區(qū)也主要沿旋渦狀分布于各凹坑內(nèi)部，為典型的單相流FAC形貌。

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