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生物壓力容器腐蝕的原理研究

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生物壓力容器腐蝕的原理研究

發(fā)布日期:2020-05-31 作者:鹽城市大明化工機械有限公司 點擊:

生物壓力容器腐蝕的原理研究

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(fā)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(guī)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(huán)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(tài)水壓試驗一次成功。隨后進行了各種項目的一回路冷態(tài)和熱態(tài)試驗,1991年4月開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(huán)節(jié)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(xiàn)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(huán)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(huán)節(jié),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(tài)水壓試驗)和HFT(熱態(tài)試驗)之間沒有按規(guī)定加入聯(lián)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(guī)定,只有當水溫超過65℃時才有必要加入聯(lián)胺,秦山正是這樣做的,因此在CHT和HFT之間未加入聯(lián)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(tài)試驗過程中發(fā)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(huán)與密封面之間縫隙死角區(qū)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(fā)生的腐蝕點的形態(tài)和特征,顯然它不屬于化學腐蝕,而是在導電的液態(tài)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(fā)現(xiàn)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(huán)與密封面接觸的密封線里側的局部區(qū)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(tài)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(qū),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(xiàn)過兩次失誤) ,后來采取措施,使水質很快恢復正常。但在發(fā)生腐蝕的部位,由于處于死角區(qū),超標的水難以被置換出來,有可能在一回路水的循環(huán)過程中逐步積聚雜質(即雜質進入縫隙區(qū)比離開縫隙區(qū)要容易些) ,使得這個局部區(qū)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(fā)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(qū)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(fā)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(qū)即陽極反應區(qū),也就是金屬被腐蝕區(qū)。

(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(fā)生在A部位的機理。

(6)并不是在所有的A部位都發(fā)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(tài),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(xiàn)酸性增高,從而加速腐蝕,這就是在A部位也只有少數點發(fā)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(tài),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。

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