隨著我國核電積極安全有序發展和核電廠運行許可證延續相關實踐的開展，在運和在建核電機組數量日益增加，核電機組運行時間逐漸增長，從反應堆堆芯卸出的高放射性乏燃料數量呈現增長趨勢。乏燃料的大量產生和累積給我國核電發展帶來挑戰，乏燃料貯存和處置問題已引起廣泛關注。

我國是實施乏燃料后處理的國家之一，但后處理設施建設相對滯后，乏燃料離堆貯存成為解決乏 燃料問題的一個重要出路。核電廠早期采用濕式貯存方式,然而隨著乏燃料累積量的持續增加,乏燃料貯存池容量有限、水質需要凈化、乏燃料水下運輸困 難等問題逐漸凸顯。相比于濕式貯存，干式貯存具有非能動余熱排出系統、靈活性強、貯存容量大、建設及維護費用低等優點，對解決貯存池滿容問題，提升乏燃料貯存的安全性和經濟性有重要意義。

在乏燃料干式貯存系統中，不銹鋼乏燃料干式貯存筒(下稱“貯存筒”)是一種常見的貯存容器，具有放射性物質包容、輻射屏蔽及衰變熱導出等功能。乏燃料產生的衰變熱依靠空氣對流帶出，空氣流經貯存筒表面時可能會沉積灰塵和鹽類雜質(如氯化物等) 。國內外研究表明，在同時存在氯化物潮解、焊接殘余拉應力和敏感材料的條件下,貯存 筒可 能 在 焊 縫 附 近 發 生 氯 致 應 力腐 蝕 開 裂 (CISCC) ,其結構完整性遭到破壞,安全功能執行可 能受到影響。因此，有必要深入分析與研究不銹鋼乏燃料干式貯存筒CISCC發生的機理與主要影響因素，提煉貯存筒CISCC敏感性分級策略，并評估潛在的CISCC預防緩解措施，以提升乏燃料干式貯存筒長期運行的安全性和可靠性。

1  乏燃料干式貯存筒 CISCC影響因素

乏燃料干式貯存筒通常采用304或316系列奧氏體不銹鋼制成。在乏燃料貯存期間，隨著時間推移乏燃料衰變熱逐漸減小，貯存筒表面溫度降低、表面相對濕度增加。同時，外界大氣環境中攜帶的氯化物等雜質隨對流空氣沉積在貯存筒表面，在一定溫度和濕度條件下發生潮解，在貯存筒局部表面易形成腐蝕性液膜，為 CISCC 的發生提供腐蝕性環境。此外，貯存筒在制造焊接過程中可能會引入殘余拉應力，為CISCC的發生提供應力條件，不銹鋼乏燃料干式貯存筒表面CISCC示意如圖1所示。因此，氯化物的沉積及潮解、貯存筒表面溫度和相對濕度(貯存簡表面附近空氣的相對濕度)及焊接引入的殘余拉應力都是影響不銹鋼貯存筒CISCC敏感性的重要因素。

圖1 不銹鋼乏燃料干式貯存筒表面CISCC過程的示意

1. 1  氯化物的沉積和潮解

不銹鋼貯存筒表面氯含量與氯化物的沉積和潮解有關。通常認為，干式貯存設施距離海洋或其他氯化物來源越近，氯化物氣溶膠含量越高，氯化物在重力沉降和擴散作用下沉積在貯存筒表面的可能性就越高。此外，氯化物的沉積還與風向等因素有關，且沉積量隨時間的延長而增加。氯化物的潮解過程與貯存筒的表面溫度和相對濕度密切相關，溫度降低通常會升高貯存筒表面相對濕度。當表面相對濕度足以使氯化物潮解時，氯化物會從空氣中吸收水分形成含氯液膜。氯化物的吸濕性越強、在液膜中溶解度越高，對不銹鋼貯存筒的腐蝕性就越強。潮解相對濕度(DRH) 是使氯化物固體發生潮解所需的最低相對濕度，常溫下不同氯化物的DRH數據如表1所示。表2給出了文獻報道中合成海鹽和實地取樣海鹽的離子組成，海鹽主要成分氯化鈉的DRH約為75%，然而海鹽中還存在吸濕性更高的氯鹽，如DRH約為33%的氯化鎂和DRH更低的氯化鈣等，由表2可知實地取樣海鹽中還含有NH4(+) 和NO3(-) 等離子， 實際海鹽中的離子組分差異也可能對海鹽的潮解和腐蝕性產生影響，且各組分的相對濃度還可能隨季節和地點不同而變化。研究表明，低于80℃時，海鹽的DRH通常 與 氯 化鈣和氯化鎂接近 , 為20%~30%。SCATIGNO等在不同沉積氯含量條件下對304L不銹鋼試樣進行應力腐蝕試驗，結果表明：當氯沉積量為2.6×10-3~2.4×10-2g/cm2時，隨著氯含量的增加，腐蝕速率升高。綜上可知，不銹鋼貯存筒表面的CISCC敏感性與表面沉積氯含量有關，一定范圍內氯含量的升高會增加不銹鋼貯存筒表面CISCC的敏感性。因此，應關注環境中氯化物的沉積和潮解過程，并控制不銹鋼貯存筒表面沉積氯含量。

表1 常溫下常見氯化物的潮解相對濕度

表2 合成海鹽和實地取樣海鹽的離子組分

1.2  表面溫度和相對濕度

貯存筒服役初期，由于乏燃料衰變熱相對較高，貯存筒外壁溫度高，氯化物潮解較為困難，不易形成不銹鋼發生CISCC所需的腐蝕性環境。隨著時間的延長，乏燃料的衰變熱降低導致貯存筒表面溫度下降，表面相對濕度增加，在一定溫度和濕度條件下，沉積的氯化物發生潮解進而引發CISCC。TOKIWAI等在50℃、相對濕度(RH)分別為95%~98%、70%~75%和60%~63%的氯化鈉環境中對敏化304不銹鋼試樣進行應力腐蝕試驗，結果表明，敏化不銹鋼在RH為70%~75%條件下最易發生CISCC。此外，試驗還表明在RH為46%~48%條件下，試驗周期內所有試樣 都沒有發生SCC，這說明除了控制沉積氯含量外，控制貯存筒表面相對濕度也是預防CISCC發生的方法之一。

有些研究人員將氯化物的DRH視作不銹鋼發生CISCC所需的相對濕度下限，然而這一判斷準則可能不準確。許多研究人員在低于DRH的RH下觀察到了明顯的腐蝕現象。SCHINDELHOLZ等在不同 RH 的氯化鎂和合成海鹽環境中進行試驗，結果表明在RH11%氯化鎂及RH23%合成海鹽環境中，不銹鋼都發生了腐蝕。因此，從保守角度考慮不銹鋼貯存筒發生CISCC的RH下限應低于氯化物的DRH。

關于貯存筒發生CISCC的RH上限，考慮到當貯存筒表面溫度下降到非常低時，貯存筒的表面濕度過高，此時由于含氯溶液濃度過低，發生CISCC的可能性降低。綜上，在給定溫度下引發CISCC，貯存筒表面RH應高于一個略低于DRH的臨界相對濕度 下限(RHbelow)，使得氯化物吸收水分形成含氯電解質環境；當RH過高，超過某一臨界相對濕度上限 (RHupper)時，形成的電解質溶液中氯離子含量過低，無法引發CISCC，即給定溫度下能夠引發CISCC的RH應滿足RHupper≥RH≥RHbelow的要求。圖2給出了貯存筒表面CISCC與表面溫度和相對濕度之間的關系示意圖。

圖2 CISCC與表面溫度和相對濕度的關系示意圖

不銹鋼貯存筒表面溫度、相對濕度和沉積鹽環境對其CISCC的影響是復雜的，通常需要綜合考慮。TANI等研究表明，在溫度為80℃、相對濕度為35%、使用合成海鹽作為氯源的試驗中，304和316不銹鋼在試驗500h后發生應力腐蝕開裂。PROSEK等試驗表明，當試驗溫度為10~70℃時，在含氯化鈣和氯化鎂的環境中， 304L發生CISCC的最低溫度是20℃，而在含氯化鈉環境中。在10~70℃溫度范圍內，沒有觀察到CISCC的發生。此外，相關運行經驗表明貯存筒表面溫度在室溫至60℃區間內對CISCC有較高的敏感性。因此，基于文獻調研和運行經驗，在干式貯存設施服役期間應對貯存筒的進口溫度、出口溫度及不同位置的表面溫度進行持續監測，及時探測貯存筒表面溫度的變化，并在其進入CISCC敏感溫度和相對濕度范圍時采取合理有效的檢查和預防手段。

1.3  焊接殘余拉應力

采用多道焊接工藝制備的不銹鋼貯存筒,會在焊縫表面引入較高的殘余拉應力，并可能導致焊接熱影響區(HAZ) 附近微觀結構發生變化，造成不銹鋼敏化，從而增加其對CISCC的敏感性。DONG等分別對氯化鎂環境中母材、焊縫和熱影響區的裂紋密度進行分析，結果表明焊縫附近的熱影響區對SCC敏感性更高，觀察到了SCC裂紋。相關研究報告指出，在未額外施加應力的情況下，焊接過程引入的殘余拉應力已經足以在靠近焊縫的敏化區域引發CISCC。因此，在評估不銹鋼貯存筒表面CISCC敏感性時，也應考慮焊接殘余拉應力對其產生的影響。

綜上所述，不銹鋼貯存筒表面氯化物的沉積和潮解，為貯存筒局部表面特別是受焊接拉應力影響的焊縫附近區域發生CISCC提供了環境條件；而氯化物的潮解又與氯化物種類、貯存筒表面溫度和相對濕度有關，不同因素之間交互作用，共同影響著不銹鋼貯存筒CISCC裂紋萌生和擴展。因此，在貯存筒服役期間，應進行空氣取樣分析，對貯存筒的溫度、相對濕度和總放射性活度等參數進行持續監測，并通過目視檢查等手段對貯存筒特別是焊縫附近潛在的CISCC跡象進行及時探測，避免因貯存筒結構完整性破壞導致的放射性包容功能失效等情況的發生。

2  貯存筒的 CISCC敏感性分級策略

乏燃料干式貯存設施中貯存筒數量眾多，且不同貯存筒的制造過程、裝載時間、衰變熱和氯化物沉積等都可能存在差異，因此不同貯存筒的CISCC敏感性也可能不同。通過對貯存筒進行CISCC敏感性分級和排序，針對不同CISCC敏感性的貯存筒制定不同的檢查策略，有助于優化資源配置，對可能影響貯存筒結構完整性的CISCC等老化效應進行及時和有效的探測。

PARROT等給出了不同環境中CISCC敏感性評估的流程，見圖3，并根據不同溫度范圍、氯含量和介質狀態，將CISCC敏感性分為低、中、高三個等級，見表3；然后按照表面狀態、冷加工、是否存在點蝕或縫隙腐蝕、是否存在循環載荷、是否持續添加適當緩蝕劑等因素對敏感性分級進行優化；根據敏感性分級得到對應的裂紋擴展速率，再依據裂紋擴展速率確定相應的檢查時機。上述分級策略給出了依據溫度、氯含量、應力等關鍵因素初步掌握不銹鋼CISCC敏感性的思路，并明確了不同敏感性下對應的具體裂紋擴展速率，有利于對壁厚減薄等參數進行初步評估從而對不銹鋼部件的檢查時機進行確定。但是，該方法針對的是含氯液相環境，不是專門針對乏燃料干式貯存筒CISCC開發的敏感性評估方法，沒有完全考慮氯化物沉積、潮解及衰變熱等過程的影響。因此，無法直接將該方法用于乏燃料干式貯存筒CISCC的敏感性分級評價。

圖3 CISCC敏感性評價流程

表3 CISCC敏感性分類

EPRI相關報告中給出了如表4所示的貯存筒CISCC敏感性分級因子，指出貯存筒的CISCC 敏感性和氯化物沉積、貯存筒材料、衰變熱載荷等因素有關，貯存筒CISCC敏感性分級等于考慮沉積、 貯存筒材料、總衰變熱載荷等CISCC敏感性影響因素得到的分級因子之和。對于具有相同敏感性分級的貯存筒，還可根據其制造過程中的記錄和相關經驗反饋等進一步進行排序。此外，由于氯化物的沉積和貯存筒所處位置有關，因此沉積因子XCl與特定位置的環境參數Z有關，根據表5計算特定貯存 位置的Z,當Z大于等于 10時,均取Z等于10。然后，根據式(1)計算沉積因子 :

式中：XCl為沉積因子，t為貯存時間，Z為特定位置的環境參數。

表4 貯存筒CISCC敏感性分級因子

需要注意，不能認為具有相同CISCC敏感性分級數值的水平貯存筒和垂直貯存筒的腐蝕敏感性相同。此外，由于氯化物沉積和總衰變熱載荷是隨貯存時間而變化的，因此，應根據即時數據進行CISCC敏感性分級計算。對于給定的貯存筒，其CISCC敏感性分級等級越高, 表明其對 CISCC的敏感性越高。

因此，在制定乏燃料干式貯存筒檢查計劃和相關老化管理大綱時，應考慮采用適當的貯存筒CISCC敏感性分級策略對貯存筒進行分級，根據分級結果確定檢查對象、檢查頻率和檢查計劃，規定相應的檢查方法和驗收準則。優先選擇CISCC敏感性高的貯存筒進行檢查可以優化檢查資源配置，最大化取樣檢查的效果。對高CISCC敏感性的貯存筒進行目視檢查，探測是否存在降質現象，若觀察到腐蝕跡象，則應進一步開展表面或體積檢查以確定是否存在影響貯存筒結構完整性的裂紋。探測到裂紋時，應測量裂紋尺寸，及時采取相應的糾正措施并進行趨勢分析，適當增加目視檢查的樣品數量以確保對可能發生的CISCC進行充分的探測和評估。

3  貯存筒的CISCC緩解措施

不銹鋼貯存筒CISCC與焊接過程引入的殘余拉應力、腐蝕性環境、以及敏感材料有關。因此,通過改善焊接工藝降低焊接殘余應力、表面處理引入壓應力以及采用先進涂層技術將敏感材料與蝕性環境隔離，可緩解和預防貯存筒的CISCC。

3. 1   改善焊接工藝

攪拌摩擦焊是一種固相焊接工藝，焊接時攪拌頭邊旋轉邊前進，當旋轉的攪拌指頭(攪拌針) 與工件表面接觸時，攪拌針與工件之間的摩擦熱使材料軟化處于熱塑性狀態，在攪拌針的壓力作用下材料發生塑性流動，前方嚴重塑性變形的材料被擠到攪拌針的后方，冷卻后形成固態焊縫。攪拌摩擦焊的熱輸入低，因此產生的殘余應力低，敏化程度小，在不銹鋼貯存筒CISCC裂紋修復等領域有一定的應用前景。ROSS等探究了采用攪拌摩擦焊修復干式貯存筒CISCC裂紋的可行性，結果表明采用攪拌摩擦焊修復后,裂紋未進一步擴展，局部材料敏化在一定程度上得到緩解，因此認為攪拌摩擦焊用于干式貯存筒 CISCC裂紋修復是可行的。目前攪拌摩擦焊工藝仍存在焊件須剛性固定、需要在焊縫背面提供墊板、當焊接結束攪拌針從工件回提時會在焊縫尾部形成凹坑等不足，后續應進一步研究和改進攪拌摩擦焊的工藝，提高攪拌摩擦焊應用于現場貯存筒裂紋修復的可行性。

3.2  表面處理

激光噴丸通過將高功率密度的激光束輻射到金屬表面，使金屬表面升溫并汽化，吸收能量后形成高溫高壓等離子體，在約束層作用下形成沖擊波并作用在金屬表面，從而使材料表面發生局部塑性變形，并在材料表面較深區域引入殘余壓應力。由于激光噴丸處理可以在不銹鋼焊縫附近產生較高的殘余壓應力以消解焊接熱處理過程中引入的殘余拉應力，因此經激光噴丸處理的材料通常具有更高耐CISCC的能力。HACKEL等根據乏燃料干式貯存筒的軋制和焊接工藝得到316L試板并進行殘余應力分析，結果表明激光噴丸處理將焊縫區域的拉應力轉化為壓應力。同時，CISCC試驗結果表明，未進行激光噴丸處理的區域在試驗18h后觀察到裂紋，而經激光噴丸處理后的區域在試驗340h后仍未觀察到萌生裂紋。由于激光噴丸產生的冷加工變形非常小，因此處理后材料的硬度和屈服強度幾乎保持不變。同時，激光噴丸技術可以通過光纖或激光導管進行，不會影響貯存筒的有效冷卻，該技術有很好的應用前景，甚至有望實現在混凝土結構內對貯存筒表面進行原位處理。

3.3  涂層技術

冷噴涂是一種新型涂層制備技術，粉末顆粒隨高壓氣體(氦氣或其他氣體) 一起加速，粉末顆粒在固態下高速沖擊待噴涂基體，產生塑性變形而沉積在基體表面形成涂層。相較于熱噴涂技術，冷噴涂過程中粉末不經歷熔化、重新凝固的過程，相變、 氧化、分解等問題得到有效控制，冷噴涂得到的涂層非常致密且與基體間有較高的結合強度，有助于防止裂紋的萌生和擴展。YEOM等探討了使用冷噴涂涂層的方法緩解不銹鋼干式貯存筒CISCC的可行性。采用粒徑20~45μm的304L球狀粉末在304不銹鋼基體上進行冷噴涂，通過控制冷噴涂工藝得到致密連續的厚度為550~600μm 的涂層。結果表明冷噴涂過程可以在基材表面引入殘余壓應力，同時為CISCC裂紋提供一層物理屏障以隔離腐蝕性環境，冷噴涂涂層有望緩解和抑制不銹鋼干式貯存筒CISCC。

在實際應用時，應綜合考慮貯存筒的具體使用環境和實際狀態，緩解技術的實施應不額外帶來提高CISCC敏感性的因素。在選用具體的緩解技術時，應綜合考慮成本、技術可操作性和耐腐蝕效果等因素。

4 結束語

隨著乏燃料積累量的持續增長，我國對乏燃料干式貯存設施的需求逐漸增加。貯存筒服役時起到放射性包容、輻射屏蔽和衰變熱導出等安全重要功能，且設計壽命通常要達到40~ 60a，甚至更長，這對貯存筒的抗CISCC能力提出了更高的要求。貯存筒CISCC敏感性受氯化物沉積和潮解、表面溫度和相對濕度以及焊接殘余應力的影響，服役期間應對貯存筒表面溫度和空氣中放射性活度及濕度等進行持續監測。

基于貯存筒CISCC敏感性分級策略制訂相應的檢查計劃和老化管理大綱，以及時探測可能存在的CISCC老化效應；采取適當的緩解技術降低發生CISCC的可能性，并對發現的CISCC裂紋進行及時有效的修復，可以確保其結構完整性和預期放射性包容等功能的實現。

作者：

楊曉蕾¹，鮑一晨¹，孟凡江¹，石秀強¹，徐雪蓮¹，劉曉強¹，李仲勛²

作者單位：

1.上海核工程研究設計院股份有限公司

2.生態環境部核與輻射安全中心

來源：《腐蝕與防護》2025年9期