淺析核設備表面銹蝕程度的評價方法

王 彥，張樂福，陳春雄

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090）

0 概 述

隨著我國核電發展計劃的制定，國內核電設備市場已進入快速增長的上升通道。根據國家“十一五”發展規劃和《核電中長期發展規劃（2005－2020年）》，預計到2020年，我國核電裝機容量將達到7 500萬千瓦以上，在建的核電裝機容量將達4 000萬千瓦。在未來相當長的時間內，我國將是世界核電在建裝機容量最大的國家。

目前，我國已建成的11臺核電機組，處于多種核電技術共存的狀態，其中既包括二代改進型，也包括從美國、法國、加拿大及俄羅斯等國引進的EPR、AP1000、CANDU以及高溫氣冷堆和我國自主設計的30萬和60萬千瓦機組。然而，正是因各系統和堆型采用的技術標準及工藝各不相同，所以，核電設備的制造標準和運行模式也呈多樣性，難以采用統一的標準及規范。為加快核電法規標準體系建設，制定出自主化的我國核電設備設計制造標準體系，不僅是核電安全管理和持續發展的需要，也是我國實現核設備自主設計及國產化的基礎。

現對核電制造行業內現行的各種標準進行比較，以控制核電設備清潔度的規定為例，提供對核島設備零部件及整機表面銹蝕程度進行評價的思路。

1 銹蝕機理

核電站介質主回路中的材料腐蝕，是主回路系統放射性增大的主要因素，也是所有部位元件表面結垢的根源。

運行中各設備出現的故障，多數是由腐蝕引起的，如腐蝕引起蒸發器傳熱管泄漏，將造成反應堆停堆檢修。各專用安全設備材料的突發性開裂，也是因死水段內長期積累的應力腐蝕導致開裂。許多腐蝕開裂的源頭便是設備表面的銹蝕斑。

在核設備投運前，設備內、外表面銹蝕斑的形成多為存留在設備表面的水經蒸發后，致使水中鹽份濃度局部上升所致。這些表面水可以是設備出廠前沾染的水漬，或是留存在設備表面的水漬未經拭干，也可能是由空氣中的水蒸氣凝結而成。如果是設備制造廠經水壓試驗及沖洗后形成的水漬未被拭干，那么這些殘留水鹽份少，在短期內尚不足以引起可見的銹蝕斑。如果是由于空氣中水蒸氣凝結形成的表面水分，引起銹蝕的風險就會很大。

核設備投運后，內表面的接觸介質與留存水漬不同，可見的腐蝕常為均勻腐蝕或者點蝕等。在役中，對內表面的一般檢測為不可接觸。但無論是投運前或投運后，各國標準中對設備的表面銹蝕程度均有要求。

2 制造標準中對銹蝕程度的要求

直觀目視評價是所有銹蝕檢查方法中最常用的方法，是所有檢查的前提。在各種制造標準中均有涉及，但有些規定在實際操作中仍存有阻礙。

我國二代改進型的核電站常按照法國RCCM標準進行制造。在F6200標準中，根據核島中系統的類型和工作流體類別，將核設備的清潔度等級劃分為A（A1、A21、A22、A23）、B、C級。控制的嚴格程度依次降低。

在F6300標準中，RCC－M在清潔度級別的基礎上，又規定了對表面銹蝕程度的目視評價方法、驗收準則和適用范圍。

RCC－M規定的目視評價方法有三種：

A檢查：在不引起操作者目眩的情況下，在至少500lx的照度下（相當100W燈泡距離工件30cm時的照度）對工件表面作目視檢驗。

Aa試驗：紫外光下對工件進行目視檢驗（輻照線波長在3 500和4 000A之間）顯示有無油跡（油的顯示限值：4×10－6g／cm3）。

Ab試驗：使用5倍放大鏡對工件進行目視檢驗。

RCC－M規定的目視驗收準則有5種：

準則1：工件表面無腐蝕產物和任何異物。

準則2：工件金屬表面應干凈。允許存在由母材或污染物形成的分散的氧化斑點（包括表面銹斑），但斑點累計面積小于總面積0.1%。

準則3：同準則2，但氧化斑點累計面積不超過1%。

準則4：工件金屬雜物。允許表面附著有因短時期暴露大氣中形成的連續氧化薄膜。

不銹鋼工件表面：允許存在表面銹斑，但其累計面積應小于總面積的1%。

碳鋼工件表面：允許存在局部或者整體的均勻薄膜銹蝕。

準則5：碳鋼工件表面允許存在牢固附著的軋制皮，以及冷水沖洗不掉的油漆標記。碳鋼和不銹鋼工件允許存在用鬃刷不能去除的銹蝕膜。

核電設備的清潔度級別，如表1所示。

表1 核電設備的清潔度級別

從表1可知，核島設備的表面清潔度檢查，最常用的驗收準則為準則1～4。除了準則1要求無任何腐蝕產物外，其余準則都有氧化斑點數面積率的要求，但標準中給出面積率的統計方式比較模糊。RCC－M標準中既沒有規定面積率的統計基數，也沒有提供面積率統計的方法，那么在工程中其驗收準則的執行就將比較隨意，常為估計的一個數值。RCC－M標準在該驗收準則中，給出了一定清潔度下的驗收數值，但未明確給出該數值的統計方法。

我國核工業總公司發布的壓水堆核電廠核島機械設備制造規范（EJ／T 1012－1996）基本上參照了法國RCC體系標準，所以也存在上述問題。同樣，在ASME III標準中也有類似的實施問題，ASME III允許制造商自行細化有關證明物項清潔度檢查與試驗的書面程序和細則（NQA－1分篇2.1 202.1）。

在NQA－1分篇2.1 301中，同樣也先將清潔度分為4級（A、B、C、D）。

在NQA－1分篇2.1 302中對各級清潔度提出了總的實施要求。

經比較分析，可簡化成：

（1）A級：必須無任何形式的表面污染（類似于RCC的準則1）。

（2）B級：對耐蝕合金、碳鋼和低合金鋼分散的銹斑均是允許的，但1平方英尺內任何區域內銹斑集合總量不超過2平方英寸（14cm2／1 000cm2）。

（3）C級：對耐蝕合金容許有分散的銹斑，但累計面積不超過100cm2／1 000cm2，對碳鋼和低合金鋼，接受可擦除的輕度均勻銹斑

（4）D級：允許在耐蝕合金、碳鋼和低合金鋼的表面上有銹層；在未加工的碳鋼和低合金鋼表面有硬刷難以刷掉的牢固氧化層。

這些規定中有明確的面積比，可操作性比RCCM標準要強，但ASME III雖然也對制造商提出了編寫檢查與試驗細則的要求，卻沒有給出量化的方法。

RCC－M標準中包含對銹蝕做定量判定的要求，但未提供判別銹蝕率的方法。若隨意的以全表面積作基數，計算困難很大且最終所得的允許銹蝕面積亦很大，無形當中放松了對核設備表面質量的控制要求。實際上，RCC－M標準所給的銹蝕面積率，在工程實踐中只能是強調定性的結論，即銹與不銹，直接在工程操作中的隨意性較大。而在ASME III標準中，著重強調了對銹蝕的定量判定，雖然標準中引用了ASTM A380的條款做支撐，但A380中對目視檢驗沒有給出量化的方法。如何細化條款中的要求及評價銹蝕面積就值得商榷。現根據各國通用的檢測標準，為核級設備表面銹蝕的評價方法提供一些參考。

3 評價銹蝕程度的方法

參照目前施行的各國、各行業的標準，綜合進行銹蝕程度的評價，最基礎的方法就是標準樣片對照法。

（1）對碳素鋼、合金鋼和合金鋼而言，ISO 8501.1《涂裝油漆和有關產品前鋼材料預處理表面清潔度的目視評定》給出了常用的方法。

ISO 8501.1標準中，將碳素鋼、合金鋼銹蝕程度分為A、B、C、D四種：

A：鋼材表面大面積地覆蓋著致密氧化皮，幾乎沒有銹斑，僅有少量浮銹；

B：鋼材表面開始生銹，致密氧化皮脫落；

C：鋼材表面致密氧化皮已經因銹蝕而脫落或附著不牢，但在正常目測下只能看到少量的點蝕；

D：鋼材表面氧化皮已經因銹蝕而脫落，正常目測下可以看到大量的點蝕；

并給出了A、B、C、D各級的代表性圖樣，如圖1所示。

圖1 各級的代表性圖樣

我國標準也是按ISO 85系列標準衍生出來的，基本的規定都一樣。碳鋼、合金鋼材料的核設備裸露表面的銹蝕程度，可按圖1所示各級進行定性評價。對預處理后的碳鋼、合金鋼表面，可根據預處理的方法按ISO 8501st和sa級，對照后按相應級別標準圖樣進行評價。遺憾的是ISO 8501沒有對涂漆表面發生銹蝕的評價方法，而ISO 8502也僅有對涂漆后做過預處理的鋼材表面資料。但是ISO 85系列標準僅給出了定性對照未提供定量依據。無論在A、B、C、D各等級中，標準圖樣內對象本身的銹蝕率是不清楚的。

（2）對不銹鋼表面的銹蝕評價，日本制訂了相應檢驗標準，可對材料的該項指標進行控制，如JIS G 0595標準中的不銹鋼表面銹蝕程度評價方法。

JIS G0595標準通過CCD圖象解析并建立了100×150大小鹽霧腐蝕試樣的銹蝕形貌指標JIS RN與銹蝕面積率的對應關系，如圖2所示。

圖2 JIS RN與銹蝕面積率的對應關系

另外，日本不銹鋼協會發表的《不銹鋼表面銹蝕程度評價的標準圖象解析方法》亦提供了不銹鋼銹蝕指標SA RN與銹蝕面積率的對應關系（通過CCD圖象解析法），還給出了SA RN與JIS RN的對應關系，二者從根本上比較接近，如圖3所示。

圖3 SA RN與銹蝕面積率的對應關系

SA RN圖表采用半對數坐標表示，即銹蝕級別SA RN與面積率的對數成直線關系。銹蝕面積率0.1%，1%，10%分別為SA RN 8、5、3（偶然因素不參與評級），這恰好與RCC－M F6000準則2、準則3、準則4中要求的面積率相匹配，任何滿足150×100面積條件下0.1%、1%銹蝕率的零件一定可以滿足RCC系列標準中整機表面0.1%、1%銹蝕率的要求。

有了評價依據，再確定定量評價方法后，就可對核設備的表面銹蝕情況進行考核了。

（3）定量評價的方法

參照日本標準對表面評價的方法，可采用劃格法進行表面評價。先制作與標準試樣大小一致的半透明150mm×100mm樣板，在其內劃分24個25mm×25mm區域，再制作25mm×25mm的半透明樣板，其內劃分25個5mm×5mm區域。凡有可疑區域均以樣板覆蓋該區域，并記錄所占區域內腐蝕點的數量。當銹蝕點很小時，可使用25mm×25 mm樣板覆蓋在150mm×100mm樣板上進行評價，最終均需折算到150mm×100mm面積下的銹蝕率，以便與標準試樣值進行對照。當然，若考慮更高的檢測精度，也可以使用5mm×5mm這樣更小的樣板，但觀測起來會比較困難。樣板的制作尺寸，如圖4所示。

圖4 樣板的制作尺寸

在工程驗收中，可在設備總體標準的基礎上適當收緊銹蝕率的驗收準則。比如按RCC－M標準驗收的設備可參考ASME III的規定，設置好統計銹蝕率的基數，可避免對核設備的全表面積進行檢測。或者規定小樣板內任一格若包含＞3mm×3 mm的銹點即可認為該5mm×5mm區域已銹蝕等，采用偏激進或偏保守的單個單元格驗收準則，將視各評價主體的意愿而定，只要不違反設備總體標準的大原則并結合工程實踐滿足低成本和易用目標即可。

CCD成像解析法也可用于設備的表面評價。但由于檢測設備上存在焦距控制等一系列問題，在直徑較小的筒形、管狀、球型表面上實施起來可能沒有劃格法廉價和有效。

4 結 語

采用現行的民用標準對核級標準進行補充說明，可在較大面積和幾何尺寸無急劇突變的表面上解決核設備表面銹蝕程度評價的問題。但對幾何尺寸不規則的表面仍無法進行準確的評價。另外，對碳鋼和合金鋼表面銹蝕程度的定量評價，尚無定量的對照數據，僅能對這些材料進行定性評價，也是這類評價方法進一步的研究方向。