海水泵泵軸腐蝕原因分析及對策

盧洪濤，陳漢明

（1.秦山核電有限公司，浙江 海鹽314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州215004）

秦山核電站重要廠用水系統(tǒng)，其功能是在機組各種運行工況下向02號廠房設(shè)備冷卻水熱交換器以及07號廠房應(yīng)急柴油發(fā)電機組套管式水冷器提供充足的冷卻水,并將收集的熱負荷輸送到最終熱阱，即杭州灣，確保反應(yīng)堆機組在正常運行和事故運行條件下安全運行。該系統(tǒng)共有4臺100%容量的海水泵,分為兩個冗余系列，即1號、2號泵在一根輸水母管上為A系列；3號、4號泵在另一根輸水母管上為B系列。海水泵的正常穩(wěn)定運行對于維護機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行具有重要意義。然而，在檢修過程中卻發(fā)現(xiàn)大概有50%的概率會發(fā)生海水泵泵軸腐蝕的現(xiàn)象，需要進行更換以保證泵的安全運行。本文將以R9大修中發(fā)現(xiàn)的4號海水泵泵軸腐蝕現(xiàn)象為契機，探尋泵軸腐蝕的根源，并給出具有針對性的解決對策。

1 海水泵概況

1.1 海水泵結(jié)構(gòu)

秦山核電站海水泵為20SHF-19型單級雙吸水平中開臥式離心泵，其結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。杭州灣富含泥沙的海水從泵殼吸入口進入水泵，經(jīng)葉輪增壓注入出水管道。葉輪裝配在軸中間，用平鍵、軸套和軸套背帽固定，軸靠兩端軸承支承，通過聯(lián)軸器與電動機連接。

圖1 20SHF-19型海水泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition of the20SHF-19 seawater pump

圖2 海水泵泵軸連接詳圖Fig.2 Detailed drawing for the connection of seawater pump shaft

1.2 海水泵材質(zhì)及工藝參數(shù)

海水泵的工藝參數(shù)和主要部件材質(zhì)分別如表1和表2所示。

表1 海水泵工藝參數(shù)Table1 Seawater pump parameters

表2 海水泵主要部件材質(zhì)Table2 Materials of main components of the seawater pump

2 泵軸腐蝕失效分析

2.1 宏觀分析

泵軸外表面在葉輪、軸瓦安裝部位有鍍鉻層，解體后發(fā)現(xiàn)除自由端部分區(qū)域（螺紋區(qū)域至端部）完好以外，軸表面大部分區(qū)域附有泥沙，并存在淺的腐蝕坑群，軸中部鍵槽兩端的軸外表面有明顯磨損痕跡。將泵軸按部位劃分為5段，見圖3，各部位宏觀特征如下：

A1、A2段軸外表面有鍍鉻層，基本完好，但A1段在靠近B1段處有少許破損、脫落，其中最大脫落區(qū)域面積約25 cm×20 cm，如圖4。

圖3 4號海水泵泵軸部位劃分Fig.3 Shaft segments of4# seawater pump

B1、B2段無鍍鉻層，兩段軸表面均有大量腐蝕坑，腐蝕坑最大深度約1 mm；并有呈螺旋狀的磨痕，向背離C段延伸，如圖5、圖6。

C段軸表面有鍍鉻層，鍍層有大量鼓泡和破損，鍵槽內(nèi)表面有黃色浮銹，局部分布有淺的腐蝕坑，坑內(nèi)為黑色，如圖7。

通過對失效泵軸宏觀觀察，結(jié)合泵的結(jié)構(gòu)、材料、工況等信息，分析認為：

（1）從4號海水泵泵軸表面泥沙沉積和磨痕來看，海水已滲入泵軸、軸套與葉輪間的間隙（正常情況下，海水不與泵軸接觸）；

（2）從泵結(jié)構(gòu)和檢修歷史來看，海水的滲入應(yīng)是由于葉輪軸孔端面與軸套端面密封不嚴而導(dǎo)致的（從檢修情況來看，葉輪軸孔端面與軸套端面處密封所用青殼紙完全失效）；

（3）從泵軸表面鍍鉻層失效情況（存在磨損、破損脫落、起泡等現(xiàn)象）來看，說明該泵軸鍍鉻層在杭州灣含泥沙海水環(huán)境下，不耐磨、不耐腐蝕；

（4）從泵軸基體金屬3C r13腐蝕情況來看（存在許多腐蝕坑和腐蝕銹斑現(xiàn)象），其不耐海水腐蝕。

綜上所述，泵軸的表面鍍鉻層已經(jīng)失效，表現(xiàn)為脫落、磨損、起泡等，未鍍鉻的泵軸基體出現(xiàn)較多腐蝕點坑和磨痕，初步判定由于密封不嚴使得海水滲入，從而引起泵軸的局部腐蝕。為此，通過浸泡試驗、電化學(xué)試驗對材料進行耐蝕性研究。

2.2 浸泡試驗

將3Cr13試樣、表面有鍍鉻層的3Cr13試樣浸入盛有100 mL現(xiàn)場取樣海水的燒杯中，每個試樣預(yù)留10 mm×10 mm作為測試面，其余部位均以環(huán)氧樹脂封閉。實驗結(jié)果見表3、表4。

圖4 泵軸A1、A2段表面形貌Fig.4 Surface of A1 and A2 segments of the pump shaft

圖5 泵軸B1、B2段表面磨痕Fig.5 Grinding crack at B1 and B2 segments of the pump shaft

圖6 泵軸B2段表面腐蝕坑Fig.6 Surface corrosion at B2 segment of the pump shaft

圖7 泵軸C段鍍鉻層鼓泡、破損Fig.7 Bubble formation and damage of the chromium coating at segment C of the pump shaft

表3 3Cr13試樣浸泡試驗Table3 Soak test for the3Cr13 test sample

表4 表面有鍍鉻層3Cr13試樣浸泡試驗Table4 Soak test for the3Cr13 test sample with chromium coating surface

由表可知在1440 h內(nèi)，3Cr13試樣平均腐蝕速率2.34×10-2mm/a，表面有鍍鉻層的3Cr13試樣平均腐蝕速率2.85×10-2mm/a。從腐蝕速率看，兩種材料平均腐蝕速率都很低。但是，從浸泡試驗過程中試樣表面觀察可發(fā)現(xiàn)：

（1）120 h，1個鍍鉻試樣表面出現(xiàn)銹點；

（2）216 h，其余2個鍍鉻試樣表面也出現(xiàn)銹點，檢查發(fā)現(xiàn)銹點為試樣邊緣黃褐色腐蝕產(chǎn)物沉積所致；

（3）480 h，全部試樣表面出現(xiàn)銹點；

（4）960 h，3Cr13材料表面腐蝕更為嚴重，1個試樣表面有銹瘤；

（5）1340 h，1個鍍鉻試樣表面鍍層脫層，有腐蝕產(chǎn)物；

分析以上浸泡試驗現(xiàn)象，說明：（1）鍍鉻3Cr13試樣、3Cr13試樣經(jīng)1440 h現(xiàn)場取樣海水浸泡，腐蝕速率較低；

（2）3Cr13試樣經(jīng)海水浸泡后出現(xiàn)銹點，并在960 h試驗時間后出現(xiàn)銹瘤，說明3Cr13材料在海水中不耐局部腐蝕；

（3）鍍鉻的3Cr13試樣經(jīng)海水浸泡后也出現(xiàn)銹點，其中一試樣在1340 h試驗時間后出現(xiàn)鍍層脫落，說明鍍鉻層在海水中浸泡容易失效，且不耐局部腐蝕。

綜上所述，3Cr13、鍍鉻3Cr13的平均腐蝕速率都較低，但在浸泡過程中均觀察到明顯的局部腐蝕特征，說明3Cr13、鍍鉻3Cr13在海水中均不耐局部腐蝕。

2.3 電化學(xué)試驗

考慮到泵軸3Cr13基體、泵軸表面鍍鉻層、葉輪0Cr18Ni12Mo2Ti、軸套1Cr18Ni9Ti四種不同的材料，一旦置于秦山現(xiàn)場海水的環(huán)境中，將產(chǎn)生不同的電位，形成電偶腐蝕效應(yīng)。為此，對這些材料進行電化學(xué)試驗研究。本項試驗以泵軸3Cr13基體、泵軸表面鍍鉻層為重點。

測量采用三電極體系，選擇3Cr13基體，鍍鉻3Cr13制作的標準試樣作為工作電極，雙鹽橋飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極是輔助電極，置于現(xiàn)場取樣海水中，測試其電化學(xué)參數(shù)，測試結(jié)果見表5和圖8。

表5 3Cr13樣、鍍鉻樣在取樣海水中的電化學(xué)參數(shù)Table5 Electrochemical parameters of3Cr13 and chroming test samples in sample seawater

圖8 鍍鉻及3Cr13試樣極化曲線Fig.8 The polarization curve of chroming and3Cr13 test samples

圖8及表5中數(shù)據(jù)表明：

（1）和鍍鉻樣相比，3Cr13在海水中的自腐蝕電位較低，只有-400 mV；

（2）兩種材料的電偶電位是-384 mV，當海水作為電解質(zhì)時，能夠形成電偶對，加速3Cr13的腐蝕。

考慮到4號海水泵各個部件材料的不同，在海水中會產(chǎn)生不同的自腐蝕電位，從而形成電偶腐蝕。為此，通過試驗和資料的調(diào)研，分析泵各個部件的腐蝕電位。

研究表明，兩種鋼在海水中偶接時，自腐蝕電位差小于20 mV時，不會發(fā)生較嚴重的電偶腐蝕；當自腐蝕電位差超過40 mV時，在大陰極小陽極條件下，會發(fā)生嚴重的電偶腐蝕；陰陽面積比足夠大時，腐蝕速率可達到自腐蝕速率13倍以上[2]，見表6。

分析認為：

（1）正常情況下，泵軸與軸套、葉輪間不存在海水，不存在偶接情況。但在運轉(zhuǎn)過程中由于受到多種因素的影響，葉輪軸孔端面與軸套端面密封性能下降并進一步失效，海水會滲入泵軸與軸套、葉輪間的間隙，使得泵軸與軸套、葉輪間產(chǎn)生電偶腐蝕效應(yīng)；

表6 3Cr13樣與鍍鉻樣及泵其他部件電位參數(shù)Table6 The electric potential parameters of3Cr13 and chroming test samples and other pump components

（2）比較軸基體、鍍鉻層、軸套、葉輪等海水泵部件的電位：軸基體3Cr13的電位最低，軸套或泵殼、鍍鉻層次之，葉輪的電位最高，電位差分別為220 mV、230 mV、670 mV，可形成電偶腐蝕效應(yīng)，加速軸基體的腐蝕。

2.4 腐蝕失效原因分析

根據(jù)前期資料調(diào)研、腐蝕宏觀分析、腐蝕試驗分析，對4號海水泵泵軸腐蝕失效原因分析如下：

（1）從檢修情況來看，由于4號海水泵葉輪軸孔端面與軸套端面間的密封不嚴，導(dǎo)致海水和泥沙滲入，形成腐蝕環(huán)境；

（2）腐蝕試驗表明，雖然3Cr13、鍍鉻層在海水中平均腐蝕速率較低，但泵軸3Cr13局部易出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，鍍鉻層在海水浸泡中易出現(xiàn)鼓泡、脫落，說明3Cr13、鍍鉻層在海水中不耐局部腐蝕；且泵軸材料3Cr13的自腐蝕電位比泵與海水接觸的其他部件低，特別是泵軸與葉輪（當表面的耐磨涂層脫落后）之間的自腐蝕電位相差最大，不同金屬間電偶對的存在，造成電偶腐蝕環(huán)境，加速了泵軸的腐蝕，泵軸表面腐蝕坑群的存在充分證明了這一論斷；

（3）4號海水泵長期處于備用狀態(tài)，在海水滲入的情況下，軸與軸套間的配合間隙為縫隙腐蝕提供了有利條件；縫隙腐蝕的發(fā)生，導(dǎo)致軸與軸套間的間隙擴大；當泵啟動運行時，進入的海水和泥沙對泵軸產(chǎn)生磨損腐蝕；當泵停運后，進入軸與軸套的結(jié)合面的海水和泥沙靜止在其內(nèi)，往軸套深處（背離葉輪方向）繼續(xù)發(fā)生縫隙腐蝕，當泵啟動后，海水和泥沙同樣對泵軸產(chǎn)生磨損腐蝕；在這種循環(huán)過程下，軸與軸套結(jié)合面發(fā)現(xiàn)了明顯的磨損腐蝕現(xiàn)象；該段泵軸表面表現(xiàn)出磨痕、較光滑正好反映出這點。

3 結(jié)論

綜上所述，導(dǎo)致4號海水泵泵軸腐蝕的直接原因是由于葉輪軸孔端面與軸套端面間的密封不嚴，致使海水及泥沙進入并與泵軸接觸，而根本原因在于泵軸材料3Cr13在海水中不耐局部腐蝕，并在裝配間隙、電偶效應(yīng)等條件的驅(qū)動以及泥沙的磨損作用下，發(fā)生縫隙腐蝕，電偶腐蝕和磨損腐蝕，加速了泵軸基體的腐蝕進程，從而導(dǎo)致泵軸因腐蝕而失效。

4 對策

針對泵軸腐蝕原因分析結(jié)果，建議采取如下具有針對性的糾正行動措施：

（1）改進現(xiàn)有的密封方式，改善葉輪軸孔端面與軸套端面配合處的密封性能，盡量防止含泥沙海水沖刷、滲漏進入泵軸與軸套之間的空隙；

（2）為了從根本上解決問題，需要對現(xiàn)有泵軸材料的替換材料進行調(diào)研，要求在滿足機械性能要求的前提下具有良好的抗海水腐蝕性能，如選用ZERON25或SR-4DX雙相不銹鋼等自腐蝕電位較高的材料，以保證在密封失效海水滲入的情況下泵軸的良好工作狀態(tài)。

[1]朱相榮. 金屬材料的海洋腐蝕與防護[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[2]黃桂橋，等. 海水中鋼的電偶腐蝕研究[J].中國腐蝕與防護學(xué)報，2001（1）：21.