核電站海水系統(tǒng)閥門腐蝕原因分析和管理措施

高穎 梁麗豐

摘? 要：某核電廠安全廠房海水系統(tǒng)使用閥門為止回閥，于2018年機(jī)組商運(yùn)初始發(fā)現(xiàn)閥門泄漏缺陷，對(duì)同廠家生產(chǎn)的同機(jī)組19臺(tái)閥門解體檢查，發(fā)現(xiàn)14臺(tái)閥門進(jìn)出口法蘭面均存在不同程度的腐蝕缺陷，同時(shí)引起了止回閥閥桿軸套破損，影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合該核電站閥門的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和運(yùn)行工況等方面，分析了核電站海水系統(tǒng)閥門法蘭發(fā)生的主要腐蝕機(jī)理，并有針對(duì)性的提出了相應(yīng)的解決措施，以期為同類設(shè)備的腐蝕防護(hù)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站? 縫隙腐蝕? 金屬修補(bǔ)? 墊片

中圖分類號(hào)：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（a）-0024-03

Abstract：The check valves are used in the seawater system of a nuclear power plant safety plant， valve leakage defects were discovered at the beginning of the unit commercial operation in 2018. We inspect the disassembly of 19 valves of the same unit produced by the same manufacturer and find that 14 valves have different degrees of corrosion defects on the flange surfaces of the inlet and outlet of the valves. At the same time， it causes the check valve stem bushing to be damaged， which affects the safe and stable operation of the unit. This article combines the structure， material and operating conditions of the nuclear power plant valve， analyzes the main corrosion mechanism of valve flanges in the seawater system of nuclear power plants， and proposes corresponding solutions in a targeted manner. It is expected to provide a reference for the corrosion protection of similar equipments.

Key Words：Nuclear power plant; Crevice corrosion; Metal repair; Gasket

某核電站機(jī)組二期于2018年初投入商業(yè)運(yùn)行，每臺(tái)機(jī)組安全廠房海水系統(tǒng)主要包括廠用水機(jī)械清潔系統(tǒng)、重要用戶用水系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)廠用水系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能是在非正常工況下為中間回路提供冷卻水，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組商運(yùn)不久，運(yùn)行現(xiàn)操在巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)海水系統(tǒng)止回閥外漏，待進(jìn)行設(shè)備解體后發(fā)現(xiàn)止回閥進(jìn)出口法蘭及配對(duì)法蘭均存在大范圍的腐蝕凹坑，腐蝕主要特點(diǎn)為：（1）腐蝕缺陷主要出現(xiàn)在法蘭與金屬纏繞墊接觸部位;（2）位于法蘭中部偏下側(cè)的腐蝕凹坑較為嚴(yán)重;（3）腐蝕樣貌為長(zhǎng)條裝凹坑，最深處可達(dá)2mm;（4）金屬石墨纏繞墊上的金屬帶發(fā)生部分溶解、斷裂。為了研究閥門法蘭發(fā)生腐蝕的主要機(jī)理，對(duì)閥門法蘭及墊片材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)研，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行工況，對(duì)閥門發(fā)生泄漏的原因進(jìn)行了分析。

1? 背景及運(yùn)行工況

某核電站海水系統(tǒng)一臺(tái)機(jī)組所使用俄供閥門共19個(gè)，均為止回閥，型號(hào)主要為ЦКБΜ41515和ЦКБΜ99557，進(jìn)出口密封墊使用金屬纏繞墊片，類型為帶外定位環(huán)型金屬纏繞墊， 閥門結(jié)構(gòu)見圖1。

閥門材質(zhì)為SA182F53（對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB/T20878-2007牌號(hào)S25073），即超級(jí)雙相不銹鋼，超級(jí)雙相不銹鋼在固溶狀態(tài)下由奧氏體和鐵素體組成，具有屈服強(qiáng)度高、韌性良好、疲勞強(qiáng)度高、耐氯化物腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]。閥門的進(jìn)出口密封墊均使用金屬石墨纏繞墊片，定位環(huán)及金屬帶材質(zhì)為美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AISI316奧氏體不銹鋼，密封材質(zhì)為石墨，含碳量>99%，硫化物含量<1000ppm，自由移動(dòng)氯離子含量<50ppm。系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)為海水，公稱直徑為DN500，設(shè)計(jì)最大工作壓力1.0MPa，正常工況下介質(zhì)溫度15℃左右，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)海水介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)，其中Cl—含量為14963mg/L，屬于正常海水范圍內(nèi)（小于19000mg/L），海水實(shí)際化學(xué)成分如表1所示。

2? 腐蝕原因分析

根據(jù)金屬纏繞墊的密封原理，通過(guò)螺栓的緊固力矩實(shí)現(xiàn)一圈圈纏繞石墨的壓縮，從而實(shí)現(xiàn)法蘭的密封，因此在金屬纏繞墊與海水接觸的最內(nèi)層，雙相不銹鋼法蘭與316金屬帶均在海水電解質(zhì)溶液中相互接觸。在海水電解質(zhì)溶液中，雙相不銹鋼與金屬石墨纏繞墊片中的316金屬環(huán)形成腐蝕原電池，由于316金屬帶形成的電勢(shì)與雙相不銹鋼的電勢(shì)相較為負(fù)，所以316金屬帶作為陽(yáng)極，雙相不銹鋼作為陰極，在海水介質(zhì)中兩者發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使316金屬帶首先發(fā)生腐蝕溶解。

隨著316金屬帶發(fā)生腐蝕溶解，海水介質(zhì)在自身重力作用下將逐漸滲入雙相不銹鋼法蘭面與金屬纏繞墊之間的縫隙，柔性石墨發(fā)生潰散，而由于柔性石墨的電勢(shì)與雙相不銹鋼的電勢(shì)相較較正，柔性石墨作為陽(yáng)極，而雙相不銹鋼法蘭作為陰極，再次形成腐蝕原電池，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)海水的作用下發(fā)生電偶腐蝕，雙相不銹鋼法蘭面開始發(fā)生腐蝕。

由于含氯化物溶液中的結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生縫隙腐蝕，海水環(huán)境中，密封面與墊片只要在合適的縫隙引起海水滯留（一般在0.025～0.1mm范圍內(nèi)），無(wú)論有無(wú)防護(hù)措施，都不可避免會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕[2]。

隨著電偶腐蝕的發(fā)生，316金屬帶和雙相不銹鋼沿著徑向從內(nèi)層到外層發(fā)生腐蝕溶解，在孕育期，隨著縫隙內(nèi)金屬不斷溶解，縫隙內(nèi)的O2逐漸消耗殆盡，縫隙外部的O2無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充到縫隙內(nèi)，縫隙內(nèi)的O2將被消耗殆盡，缺氧抑制了縫隙內(nèi)陰極反應(yīng)的發(fā)生[3]。為了保持電中性負(fù)離子如海水介質(zhì)中Cl-向縫隙內(nèi)遷移，發(fā)生反應(yīng)使縫隙內(nèi)的介質(zhì)酸化，PH下降進(jìn)一步加劇不銹鋼法蘭和金屬帶的腐蝕，上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行最終導(dǎo)致嚴(yán)重的縫隙腐蝕缺陷[4]。

3? 腐蝕過(guò)程分析

通過(guò)上述分析，法蘭缺陷形成的主要過(guò)程是：在海水介質(zhì)中，閥門法蘭面先與金屬纏繞墊片中的316金屬帶發(fā)生電偶腐蝕，造成316金屬帶發(fā)生腐蝕溶解，使得金屬纏繞墊片內(nèi)部石墨潰散露出，雙相不銹鋼法蘭再次與石墨形成原電池，因?yàn)殡娢徊畹牟煌沟秒p相不銹鋼作為陽(yáng)極被腐蝕，隨著腐蝕縫隙的產(chǎn)生，縫隙中氧含量的消耗減少、酸度增加，使得金屬不斷溶解，缺陷不斷擴(kuò)大，進(jìn)而造成閥門密封不嚴(yán)而導(dǎo)致介質(zhì)外漏。

4? 解決方案

根據(jù)以上分析，由于閥門法蘭缺陷是墊片使用不當(dāng)造成的，因此重點(diǎn)是防止金屬石墨墊片在海水系統(tǒng)中的再次使用，電廠采用的解決方案主要從更換墊片、金屬修補(bǔ)法蘭、法蘭緊固控制等三個(gè)方面進(jìn)行考慮。

4.1 更換墊片

從缺陷的腐蝕機(jī)理來(lái)看，導(dǎo)致法蘭腐蝕的主要原因?yàn)榻饘倮p繞墊片使用不當(dāng)導(dǎo)致，因此電廠決定更換掉19臺(tái)閥門所使用金屬石墨纏繞墊片，替換為性能較好的聚四氟乙烯墊片。聚四氟乙烯是合成樹脂材料中的佼佼者，其優(yōu)良的耐腐蝕性能使它在絕大部分腐蝕性介質(zhì)中可作為密封墊片，同時(shí)它具有絕緣性，常溫常壓下性能穩(wěn)定，非常適合海水系統(tǒng)法蘭密封，根據(jù)電化學(xué)腐蝕的控制原理，使用絕緣材質(zhì)作為海水法蘭密封墊可隔絕電荷的流動(dòng)，從而達(dá)到防腐目的[5]。

4.2 陶瓷金屬修補(bǔ)劑填補(bǔ)

陶瓷金屬修補(bǔ)劑可用于修復(fù)局部腐蝕的泵、閥和交換器的金屬設(shè)備，因其具有耐腐蝕、耐高溫性能優(yōu)良，易于機(jī)加工，使用配比方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械修復(fù)領(lǐng)域，在同行電站均有可靠良好實(shí)踐。修補(bǔ)步驟主要為：

（1）對(duì)腐蝕凹坑進(jìn)行清洗。使用擦拭紙和清洗劑清理擦拭腐蝕凹坑部位，確保缺陷位置干凈無(wú)污物。

（2）涂抹修補(bǔ)劑。將基料和固化劑充分混合后均勻涂敷在修補(bǔ)部位表面，趕盡氣泡以確保表面與修補(bǔ)劑密實(shí)接觸。

（3）固化處理。在20～30℃條件下，維修固化時(shí)間控制在12h左右。

（4）打磨清理。使用研磨砂紙對(duì)填補(bǔ)位置進(jìn)行打磨，去除凸點(diǎn)，使修補(bǔ)劑與周圍部位圓滑過(guò)渡。

4.3 法蘭緊固過(guò)程控制

使用合適的螺栓力矩，測(cè)量法蘭實(shí)際密封墊尺寸，新密封墊的寬度覆蓋整個(gè)法蘭面，新密封墊的內(nèi)徑比管徑內(nèi)徑稍大，外徑剛好卡到法蘭螺栓處，通過(guò)測(cè)量密封墊的壓縮量來(lái)控制法蘭緊固，在保證要求的密封能力前提下防止墊片受損，擰緊螺栓時(shí)按照一定次序，采用力矩扳手和很好潤(rùn)滑過(guò)的緊固件以及平墊圈，以使墊片均勻受壓，并保證必要的初始?jí)|片載荷[6]。為提高維修效率，使用力矩扳手測(cè)量最終的螺栓力矩，將其作為螺栓緊固力矩的目標(biāo)值，經(jīng)14臺(tái)閥門的維修實(shí)踐，證明力矩值和緊固方法是科學(xué)可靠的。

5? 結(jié)語(yǔ)

在海水介質(zhì)中，閥門的雙相不銹鋼法蘭先與金屬纏繞墊片中的316金屬帶發(fā)生電偶腐蝕，使得金屬纏繞墊片內(nèi)部石墨潰散露出，雙相不銹鋼法蘭再與石墨形成原電池，使得雙相不銹鋼作為陽(yáng)極被腐蝕，缺陷不斷擴(kuò)大，進(jìn)而造成閥門密封不嚴(yán)而導(dǎo)致介質(zhì)外漏。電廠采取了更換墊片、金屬修補(bǔ)法蘭、法蘭緊固控制等措施來(lái)保障閥門的可靠性，同時(shí)，對(duì)同類型閥門進(jìn)行墊片替代，并將“海水中不可使用金屬石墨纏繞墊片”這一要求固化到維修程序當(dāng)中，以便能夠提前干預(yù)，為后續(xù)電廠其他機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到一定的借鑒意義。通過(guò)實(shí)施上述措施，該核電廠海水系統(tǒng)止回閥至今穩(wěn)定運(yùn)行，未再發(fā)生類型閥門外漏等異常情況。

從電廠閥門法蘭發(fā)生缺陷和多臺(tái)機(jī)組閥門失效的經(jīng)驗(yàn)可以看出，對(duì)于類似的海水系統(tǒng)密封墊片的使用，金屬石墨纏繞墊片雖有著優(yōu)良的化學(xué)和物理特性，很好的滿足了核級(jí)密封的要求，但其使用有一定的限制條件，比如異種金屬接觸易發(fā)生電偶腐蝕等特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體的使用條件、壽命要求、整體配套性，綜合考慮和評(píng)價(jià)。對(duì)于電站的密封面墊片選擇，還應(yīng)全面分析，才能獲得理想的密封效果、充分發(fā)揮墊片的應(yīng)有作用。

參考文獻(xiàn)

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