核電廠廢水泵葉輪失效原因分析

胡明磊 徐科 余小燕 徐偉強(qiáng) 劉洪群

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司二廠，浙江海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004)

核電廠廢水泵葉輪失效原因分析

胡明磊1徐科1余小燕1徐偉強(qiáng)1劉洪群2

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司二廠，浙江海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004)

某核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)廢水中和池的廢水排放泵葉輪在使用僅4個(gè)月的情況下發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕問題。本文通過宏微觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析等手段對失效葉輪腐蝕原因進(jìn)行分析，結(jié)果表面：葉輪碳含量偏高，在晶界形成碳化物，從而發(fā)生了晶間腐蝕。

核電廠 葉輪 晶間腐蝕

0 概述

核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)樹脂再生過程中產(chǎn)生的酸、堿廢水以及各箱、罐排污產(chǎn)生的廢水通過排水溝進(jìn)入廢水中和池，經(jīng)中和后，由廢水泵排放到核電廠廢液排放系統(tǒng)。某核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的廢水中和池的廢水排放泵葉輪在僅使用了4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。

本文通過宏微觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析等對葉輪腐蝕失效原因進(jìn)行分析。

1 理化試驗(yàn)

1.1 宏觀分析

失效葉輪的宏觀形貌如圖1所示，葉輪表面無腐蝕產(chǎn)物附著，從圖1(b)中可以看到晶間腐蝕，從圖1(d)中可以看出有葉輪發(fā)生了沖刷腐蝕，初步判斷葉輪發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕。

圖1 失效葉輪的腐蝕形貌

1.2 金相分析

圖2為樣品拋光后(腐蝕前)的微觀形貌，材料的晶粒大小分布不均勻，在晶界上分布著連續(xù)的碳化物(白亮物質(zhì))，如圖2(a)所示，從圖2(b)中可觀察到在樣品中部存在裂紋。

圖3為樣品的金相組織，材料內(nèi)部存在沿晶裂紋，如圖3(a)所示。晶粒尺寸較大，晶粒內(nèi)部為柱狀亞晶結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。

1.3 成分分析

失效葉輪的化學(xué)成分如表1所示，材料的C和Si的含量較高Ni和Cr的含量較低。從材料成分判斷，應(yīng)為奧氏體不銹鋼。

表1 失效葉輪材料的化學(xué)成分(wt.%)

圖2 樣品的晶間碳化物分布和裂紋

圖3 樣品的金相組織和內(nèi)部裂紋

2 分析與討論

2.1 材料因素

由金相分析、材料成分分析結(jié)果可知，材料C含量較高、晶粒尺寸大小分布不均且在晶界上分布著連續(xù)的碳化物。從Fe-C合金相圖可知，不銹鋼中碳在奧氏體里的固溶度隨著溫度的升高而增加，500～700℃時(shí)，鋼中碳在奧氏體里的平均固溶度不超過0.01%。奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理快速冷卻后，奧氏體中的碳處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)鋼在敏化溫度范圍內(nèi)(427～816℃)受熱時(shí)，奧氏體中過飽和的C會迅速地向晶界擴(kuò)散。在晶界上，碳消耗了晶界周圍的鉻，形成鉻的碳化物，由于鉻的擴(kuò)散速度太慢而得不到及時(shí)的補(bǔ)充，結(jié)果在晶界周圍形成嚴(yán)重的貧鉻區(qū)。材料中的C含量越高，在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間越長，晶界碳化物的析出量越多。失效的葉輪中C含量為0.21%，遠(yuǎn)高于0.01%，且鋼中的Ti含量僅為0.004%，不能形成TiC，在葉輪鑄造過程中從高溫冷卻到室溫時(shí)，會造成碳化物在晶粒之間大量析出，從而形成圖2(a)中碳化物在晶界處大量析出的現(xiàn)象，并且碳化物在晶界互相連接形成網(wǎng)狀。碳化物在晶界分布，不但會導(dǎo)致材料晶間腐蝕敏感性增加，同時(shí)還會造成材料力學(xué)性能劣化；另一方面，當(dāng)貧鉻區(qū)的含鉻量低于9.28%，亦即低于鈍化所需要的含鉻量就會造成材料產(chǎn)生晶間腐蝕。貧鉻區(qū)和晶粒本身的電化學(xué)性能的差異，使貧鉻區(qū)(陽極)和處于鈍化態(tài)的基體(陰極)之間建立起一個(gè)具有很大電位差的活化-鈍化電池。貧鉻區(qū)的小陽極和基體的大陰極構(gòu)成腐蝕電池，使貧鉻區(qū)受到晶間腐蝕。晶間腐蝕發(fā)生后，金屬和合金雖然表面仍保持一定的金屬光澤，看不出被破壞的跡象，但晶粒間的結(jié)合力已顯著減弱，強(qiáng)度下降。失效的葉輪表面上看雖然也保持著金屬光澤，但由于其內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕，使晶粒之間的結(jié)合力大大降低，因此導(dǎo)致其在取樣的夾持過程中發(fā)生了斷裂。

2.2 沖刷腐蝕下腐蝕和沖刷的交互作用

沖刷腐蝕條件下，沖刷對不銹鋼腐蝕行為的影響主要包括兩個(gè)方面：一方面力學(xué)因素破壞了不銹鋼表面的鈍化膜，使材料處于活性溶解狀態(tài)[1]；另一方面，由于力學(xué)因素作用，使材料內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加，而位錯(cuò)密度與塑性變形成線性關(guān)系，導(dǎo)致材料塑性變形，使沖刷的沖擊功轉(zhuǎn)化為機(jī)械變形功。單位體積內(nèi)完成的機(jī)械變形功等于系統(tǒng)在單位體積中形成單位位錯(cuò)的自由能的增量[2]，這一增量會進(jìn)一步影響體系的電化學(xué)行為。有研究證明，由力學(xué)作用造成的金屬塑性變形可引起腐蝕電流的增加，且塑性變形越嚴(yán)重，位錯(cuò)在晶界塞積的數(shù)量越多，腐蝕電流的增量越大。

腐蝕因素在交互作用中也起著至關(guān)重要的作用：腐蝕粗化了材料表面；弱化材料的晶界、相界；溶解材料表面的加工硬化層，降低基體的疲勞強(qiáng)度；使裂紋迅速擴(kuò)展等等，這些影響都促進(jìn)空蝕或沖蝕的破壞。

研究表明，材料的耐沖刷腐蝕行為與其硬度和韌性有關(guān)[3-6]，具有良好塑性和韌性的材料其抗沖刷腐蝕能力較高。在廢水泵葉輪工作過程中，受到廢水池中溶液對葉輪產(chǎn)生的沖刷作用，葉輪受到力的作用。由于葉輪晶界處析出大量的碳化物，M7C3和M23C6型碳化物的硬度值分別為1300-1800HV和1000HV，當(dāng)材料受到?jīng)_刷力學(xué)作用時(shí)，晶粒可以通過變性或者滑移耗散力學(xué)沖擊[7]，晶界處碳化物由于硬度高，變性能力差，不易通過變型來耗散沖刷過程的能量，因此在沖刷過程中優(yōu)先受到破壞，材料一旦發(fā)生破壞，就會在沖刷作用下迅速發(fā)展，形成如圖1所示的沖刷腐蝕形貌。

材料在沖刷腐蝕過程中的總失重主要是由于腐蝕因素引起材料以離子形式脫離材料表面，另一方面是由于力學(xué)因素引起的材料以固體顆粒形式脫落材料表面，并且沖刷和腐蝕過程中存在的交互作用[8]。有研究奧氏體不銹鋼的沖刷腐蝕行為，結(jié)果表明沖刷腐蝕條件下純腐蝕分量(WC)約占總失重的0.22%，沖刷和腐蝕的交互作用分量的總和占總失重量的31.32%，在交互作用之中，由力學(xué)因素引起的腐蝕增量(WEIC)十分明顯；隨著沖刷腐蝕的進(jìn)行，材料的腐蝕阻力逐漸降低，腐蝕電位降低，腐蝕電流增加。表明腐蝕因素對不銹鋼材料的耐沖刷腐蝕能力有顯著影響。

3 結(jié)論

廢水泵葉輪腐蝕失效的主要原因是材料中的C含量超標(biāo)，造成材料在晶界處產(chǎn)生了大量的碳化物，在高離子濃度的水中由于晶間腐蝕和沖刷腐蝕綜合作用導(dǎo)致葉輪快速失效。

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Failure Analysis of Impeller on Pump for Waste Water in Nuclear Power

HU Ming-lei1, XU Ke1, YU Xiao-yan1, XU Wei-qiang1, LIU Hong-qun2
(1. CNNC Nuclear Power Operations Management Co., LTD, Haiyan 314300, China; 2. Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

The Impeller of waste water pump were corroded on daily inspection in a domestic nuclear power plant.The investigation for the failure including chemical composition analysis,microstructure observation,and so on. The results indicated that the carbon element of the impeller was more than the standard composition and cause intercrystalline corrosion.

nuclear power plant; impeller; intercrystalline corrosion

TG172.5

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.06.079.04

胡明磊 (1982－) ，河南商丘人，碩士，工程師，研究方向：核電廠腐蝕與防護(hù)。