分享：某核电站安全厂用水系统奥氏体不锈钢仪表管泄漏原因

李鸿远1,张彦召2,张舟永2,刘洪群2,潘姚凡2 

(1.中广核苍南核电有限公司,温州 325000;2.苏州热工研究院有限公司,苏州 215004) 

摘 要:某核电站安全厂用水系统奥氏体不锈钢仪表管焊缝处发生泄漏。采用宏观观察、化学 成分分析、硬度测试、金相检验和扫描电镜分析,分析了该仪表管泄漏的原因。结果表明:该仪表管 内壁焊接热影响区形成严重的回火色,即贫铬氧化层,在海水中氯离子的作用下,管道内壁形成点 蚀坑,点蚀坑不断扩展,最终贯穿整个管壁,导致仪表管泄漏。

关键词:奥氏体不锈钢;泄漏;点蚀;回火色 

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0045-04

滨海核电站将海水作为核岛和常规岛的最终冷 源,将各种设备和构筑物产生的热量带入大海。海 水冷却系统进行了较为严格的防腐蚀设计,如采用 耐海水腐蚀等级高的材料[1-2],通过内壁涂层或衬里 隔离海水[3],以及采用牺牲阳极保护法[4]或外加阴 极保护电流[5]保护金属不被腐蚀。核岛安全厂用水 (SEC)系统的主要功能是将设备冷却系统(RRI)传 输的热量传到海水中。SEC 系统作为一种重要的 安全系统,在正常运行和事故工况条件下,该系统都 能将与安全有关的构筑物、系统和设备传来的热量 输送到最终热阱[6-7]。 

某核电站 SEC 系 统 管 道 内 部 为 海 水,外 部 为 滨海盐雾环境,主管道材料为碳钢,通过表面涂层 和外加阴极保护电流进行防护。主管道上的仪表 管 采 用 法 国 RCC-M M3304-2007 Designand ConstructionRulesfor MechanicalComponentsof PWR NuclearIslands 标 准 中 的 Z2CND1712 钢, 对应中 国 标 准 中 的 022Cr17Ni12Mo2 钢,即 316L 不锈钢。仪 表 管 和 主 管 道 之 间 通 过 管 座 法 兰 连 接,仪表管和法兰管座通过焊接连接,焊接方法为 氩弧焊,该系统管道在已运行的6a中发生多次仪 表管穿孔导致的泄漏事件。泄漏位置在仪表管和 法兰管之间的焊缝处,如图1所示。

为查明该 仪 表 管 泄 漏 的 原 因,笔 者 对 泄 漏 管 段进行了一 系 列 检 验 与 分 析,并 提 出 相 应 的 改 进 措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

该 泄 漏 仪 表 管 壁 厚 约 为 2.5 mm,管 径 为 14.5mm。由图2可见:该仪表管泄漏位置靠近焊 缝,其周围有多个贯穿性凹坑,仪表管内壁附着有红 褐色腐蚀物,靠近焊缝区域颜色较深。

1.2 化学成分分析 

对该泄漏仪表 管 进 行 化 学 成 分 分 析,结 果 如 表1所示,可知仪表管的化学成分均符合 RCC-M M3304-2007 标 准 对 Z2CND1712 钢 的 技 术 要求。

1.3 硬度测试 

对该泄漏仪表管进行硬度测试,结果如表2所 示,可知 仪 表 管 母 材 及 焊 缝 处 的 硬 度 均 匀,未 见 异常。

1.4 金相检验 

图3 仪表管泄漏位置不同区域的显微组织 对该仪表管泄漏位置的显微组织进行观察。由 图3可见:仪表管母材组织为孪晶奥氏体,晶粒度为 5~6级;焊缝组织为铸态枝晶,组织正常,焊缝区域 未发现未熔合、气孔等焊接缺陷。在该仪表管泄漏 位置截 面 截 取 试 样 进 行 显 微 组 织 形 貌 观 察。 如 图4所示,泄漏位置离焊缝较近,处于热影响区,仪 表管内、外壁泄漏位置附近均分布有凹坑,管道内壁 的凹坑数量较多。

1.5 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)对该仪表管内壁的凹坑 进行微观形貌观察。如图5所示,该仪表管内壁凹 坑向内扩展,凹坑底部可见明显的晶粒特征,为典型 的点蚀坑特征形貌。

2 分析与讨论

点蚀是服役于海水环境中的奥氏体不锈钢最常 发生的局部腐蚀类型之一。受缝隙腐蚀、污垢以及 微生物[8-9]等影响,Z2CND1712奥氏体不锈钢表面 钝化层会被 Cl- 破坏而发生点蚀。同时,焊接过程 会严重影响该材料的耐点蚀性能。常规的奥氏体不 锈钢焊接接头不同区域的点蚀敏感性从大到小依次 为热影响区、母材、焊缝。热影响区点蚀敏感性最大 的原因是在焊接过程中其表面形成了不具备保护功 能的贫铬氧化层[10],常被称为“回火色”区域,回火 色颜色越深,发生点蚀的可能性越大。在现场焊接 过程中,很难避免该类材料表面产生一定程度的回 火色,通常采用打磨和酸洗钝化的方式进行去除。

通过现场检查发现,该批次SEC系统仪表管采 用氩弧焊进行焊接,外壁由氩气保护,内壁没有实施 保护气氛。在焊接过程中,仪表管接头内壁的热影 响区形成了严重的回火色,且没有进行打磨或酸洗 钝化。仪表管的泄漏位置位于焊缝热影响区,内、外 壁泄漏位置附近均有大量不同深度的点蚀坑,其中 内壁点蚀较为严重,内壁点蚀坑在系统运行过程中 不断扩展,最终贯穿整个管壁,导致仪表管泄漏。

实际生产中,为了避免不锈钢管道发生点蚀,可 进行以下改善措施: 

(1)焊接时控制焊接工艺参数,减轻热影响区 的回火色,如减小焊接电流,增加焊接速率,在管道 内实施保护气氛,焊后进行表面酸洗钝化处理;

(2)加强管道点蚀敏感区域的检查,及时发现 和修复泄漏区域; 

(3)重要区域的仪表管采用耐点蚀性能更高的 材料,如超级奥氏体不锈钢S31254。

3 结论及建议

(1)核电站 SEC 系统仪表管泄漏的主要原因 是管道内壁焊接热影响区形成严重的回火色,即贫 铬氧化层,在海水中氯离子的作用下,内部形成点蚀 坑,点蚀坑不断扩展,最终贯穿整个管壁,导致仪表 管泄漏。

(2)建议通过优化焊接工艺来缓解不锈钢焊缝 处的点蚀敏感性,加强监督,及时发现和修复泄漏区 域,重点区域管道采用更耐海水点蚀的材料。

参考文献: [1] 刘飞华,任爱,杨帆,等.核电站海水冷却系统的腐蚀 与防腐 蚀 设 计 [J].腐 蚀 与 防 护,2007,28(6):313- 316. [2] 钟赵江,张耀,王芷芳.核电站海水系统对设备管道的 腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制,2007,21(3):25-26.[3] 张耀,张忠伟,黄祖兵.核电站适用涂层特点分析[J]. 上海涂料,2007,45(4):41-43. [4] 胡明磊,徐科,余小燕,等.核电厂海水系统牺牲阳极 失效分析[J].全面腐蚀控制,2014,28(9):65-67. [5] 赵卫东,周澄,刘洪群,等.秦山核电厂海水管道内壁 阴极保 护 系 统 有 效 性 评 价 [J].中 国 核 电,2021,14 (1):40-42. [6] 苗学良,桂馨宇,张维,等.某核电厂安全厂用水系统 SEC泵出口管道腐蚀原因分析[J].全面腐 蚀 控 制, 2014,28(1):73-75. [7] 谢军,李鸿远,潘韶东.CPR1000型 SEC 系统备用列 海生物捕集器在静止海水中的防腐选材设计与评估 [J].全面腐蚀控制,2016,30(1):12-15,86. [8] 李鸿远,王水勇,曹岩,等.核电站工程建设阶段典型 防腐问题与改 进 [J].全 面 腐 蚀 控 制,2013,27(11): 48-52. [9] 张舟永,刘洪群.核电站的微生物腐蚀及其控制[J]. 腐蚀与防护,2016,37(7):544-548. [10] ?ABANOWSKI J,G?OWACKA M. Heat tint colours on stainless steeland weldedjoints[J]. WeldingInternational,2011,25(7):509-512. 

< 文章来源>材料与测试网 >