某核電站給水泵泵軸腐蝕原因分析及處理

招錦健，劉崇志，朱健

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳 518124）

1 引言

在某核電站1、2號(hào)機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)，增壓泵泵軸在與機(jī)械密封軸套配合處發(fā)現(xiàn)不同程度的腐蝕，腐蝕發(fā)生的位置沿軸向?qū)拵Х植迹瑘A周向不連續(xù)，對(duì)應(yīng)機(jī)械密封軸套O形密封圈密封處的空氣側(cè)。大修中采取外送泵軸激光熔覆和現(xiàn)場(chǎng)微弧焊對(duì)泵軸腐蝕處進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后對(duì)泵軸進(jìn)行圓滑打磨，避免回裝機(jī)械密封后在軸套O形密封圈處發(fā)生泄漏。分析該腐蝕現(xiàn)象的形成機(jī)理，防止類似現(xiàn)象再次發(fā)生。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

泵軸材料為UNS S42000馬氏體不銹鋼，化學(xué)成分為：w(C)≤0.15%、w(Si)≤0.1%、w(Mn)≤0.1%、w(P)≤0.04%、w(S)≤0.03%、12%≤w(Cr)≤14%。機(jī)械密封軸套材料為316不銹鋼，機(jī)械密封動(dòng)環(huán)通過(guò)軸套與軸固定，軸套通過(guò)軸套鎖母與泵軸固定，機(jī)封軸套與軸為間隙配合。軸套內(nèi)部設(shè)有O形密封圈，用于防止泵內(nèi)介質(zhì)從軸套處泄漏。O形密封圈材質(zhì)為三元乙丙橡膠（EPDM），規(guī)格為130.00 mm×3.53 mm。密封圈槽為矩形槽，尺寸為深3 mm、寬5 mm。

3 故障現(xiàn)象及初步分析

3.1 故障現(xiàn)象

某核電站1號(hào)機(jī)組第7次大修中3號(hào)增壓泵解體檢查發(fā)現(xiàn)，泵軸兩端安裝機(jī)械密封軸套O形密封圈處空氣側(cè)表面腐蝕，1號(hào)增壓泵的泵軸非驅(qū)動(dòng)端安裝機(jī)械密封軸套O形密封圈處空氣側(cè)表面也存在腐蝕。某核電站2號(hào)機(jī)組第6次大修中檢查1、2號(hào)增壓泵兩端泵軸均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。

泵軸腐蝕位置距離軸肩約36 mm，結(jié)合軸套圖紙和機(jī)封安裝圖紙，確認(rèn)腐蝕位置位于軸套O形密封圈空氣側(cè)軸套與軸配合的間隙。各個(gè)泵軸腐蝕程度輕重不一，有呈單線窄坑狀，有呈帶狀分布（軸向?qū)挾燃s4 mm），同時(shí)沿周向不連續(xù)分布，每個(gè)泵軸具體腐蝕的周向位置不同。檢查泵軸腐蝕部位和軸套內(nèi)部，存在大量紅褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物。由于腐蝕位于泵軸與軸套間隙位置，初步判斷腐蝕類型為縫隙腐蝕。

3.2 腐蝕機(jī)理分析

一般認(rèn)為，縫隙腐蝕發(fā)生的敏感區(qū)間在0.025～0.1 mm。相關(guān)研究表明，當(dāng)13Cr不銹鋼浸入質(zhì)量濃度為3.5%的NaCl溶液后，陽(yáng)極（不銹鋼表層）主要發(fā)生Fe和Cr的溶解：

而陰極（縫隙內(nèi)溶液）則發(fā)生溶解氧的還原：

由于溶解氧向縫隙內(nèi)部擴(kuò)散困難，當(dāng)縫內(nèi)溶解氧消耗之后形成了氧濃差電池，縫內(nèi)13Cr不銹鋼表層成為陽(yáng)極，縫外氧濃度高成為陰極。由于縫內(nèi)的Fe2+和Cr3+難以擴(kuò)散到縫外，為了保持縫內(nèi)溶液的電中性，Cl-向縫內(nèi)遷移，導(dǎo)致縫內(nèi)Cl-聚集，形成了可溶性的金屬鹽（氯化物），然后水解產(chǎn)生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，大量游離H+使得溶液不斷酸化：

當(dāng)縫內(nèi)化學(xué)環(huán)境達(dá)到金屬去鈍化的臨界條件時(shí)，縫內(nèi)電極的部分表面由鈍態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài)，發(fā)生腐蝕。同時(shí)縫內(nèi)未腐蝕的金屬部分作為陰極發(fā)生析氫反應(yīng)，加速金屬基體的腐蝕。當(dāng)pH足夠低且縫內(nèi)電極電位下降到析氫電位時(shí)，便有氫氣析出：

最后，F(xiàn)e(OH)2在縫口處氧化為Fe(OH)3，并分解為Fe2O3堆積在縫口處：

綜上可知，縫隙腐蝕發(fā)生的條件概括為：①縫隙間隙在腐蝕發(fā)生的敏感寬度0.025～0.1 mm；②縫隙內(nèi)處于溶液環(huán)境；③縫隙外存在大量游離負(fù)離子，特別是Cl-的存在，對(duì)鈍化膜有極強(qiáng)的侵蝕性，對(duì)縫隙內(nèi)形成酸性化學(xué)環(huán)境并加速金屬的腐蝕起重要促進(jìn)作用。

4 泵軸縫隙腐蝕原因分析

4.1 軸與軸套間隙條件

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，軸外徑設(shè)計(jì)值為130.94～130.96 mm，軸套內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為131.00～131.04 mm，配合處間隙寬度為0.02～0.05 mm，該間隙滿足縫隙腐蝕發(fā)生的間隙條件（0.025～0.1 mm）。

4.2 縫隙內(nèi)溶液環(huán)境

機(jī)械密封軸套與軸之間設(shè)置有O形密封圈，目的是防止泵送介質(zhì)除氧水從軸與軸套之間外漏。發(fā)生腐蝕的縫隙處位于O形密封圈的空氣側(cè)，本應(yīng)接觸不到除氧水。第6次大修中檢查3臺(tái)增壓泵兩端的機(jī)械密封軸套O形密封圈狀態(tài)，6個(gè)O形密封圈中有3個(gè)由于卷扭已發(fā)生塑性形變，目視檢查其他3個(gè)O形密封圈狀態(tài)基本成圓形。

由于安裝過(guò)程O(píng)形密封圈發(fā)生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長(zhǎng)而線徑變小，導(dǎo)致壓縮率變小，在泵運(yùn)行過(guò)程中泵送介質(zhì)可能會(huì)在這些位置滲漏至空氣側(cè)，從而使軸與軸套配合處部分間隙區(qū)間形成溶液環(huán)境。拆解2號(hào)增壓泵驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封軸套O形密封圈時(shí)，對(duì)應(yīng)泵軸腐蝕位置處作標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)O形密封圈卷扭變形位置與泵軸腐蝕位置基本對(duì)應(yīng)。

4.3 縫隙外存在游離負(fù)離子

核電站地區(qū)瀕臨南海,屬于南亞熱帶濕熱型海洋環(huán)境氣候類型。氯離子主要來(lái)自海水，研究表明，電廠戶外氯離子濃度波動(dòng)范圍在0.1263～1.2319 mg/（100cm2·d）之間，年平均氯離子濃度為0.5603mg/（100cm2·d），最高濃度可達(dá)2.1977mg/（100cm2·d）。高濃度的氯離子為縫隙內(nèi)腐蝕的發(fā)生提供了豐富的負(fù)離子資源，對(duì)縫隙腐蝕的發(fā)生有極強(qiáng)的促進(jìn)作用。

大量氯離子的侵入加速了縫內(nèi)溶液的酸化過(guò)程，酸化始于縫隙底部，所以縫隙腐蝕首先發(fā)生于縫隙底部。對(duì)照實(shí)驗(yàn)室模型，對(duì)應(yīng)于給水泵機(jī)械密封軸套與泵軸間隙，間隙靠近O形密封圈一側(cè)作為縫隙底部，該位置是溶解氧最先消耗完且外部氧氣最難到達(dá)的位置，大修檢查1號(hào)增壓泵非驅(qū)動(dòng)端端泵軸腐蝕情況，靠近O形密封圈側(cè)已發(fā)生比較明顯的呈單線窄坑狀腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)r（縫隙內(nèi)外表面面積比）值較大時(shí)，腐蝕先從底部開(kāi)始，逐漸擴(kuò)展到四周，而縫隙中心位置仍保持光亮。對(duì)比實(shí)驗(yàn)室模型，泵軸暴露在空氣中的伸出端為縫外自由表面，增壓泵泵軸發(fā)生縫隙腐蝕的r值較大，大修檢查2號(hào)增壓泵非驅(qū)動(dòng)端端泵軸腐蝕情況與實(shí)驗(yàn)室結(jié)論一致，縫隙底部先發(fā)生腐蝕縫隙，然后縫隙另一側(cè)發(fā)生腐蝕，縫隙中間位置還可看到金屬光亮。

4.4 原因綜述

由于機(jī)械密封廠家設(shè)計(jì)原因，機(jī)封軸套密封圈槽靠空氣側(cè)沿軸向與泵軸配合處，軸向長(zhǎng)約4 mm位置形成0.02～0.05 mm的間隙區(qū)間。機(jī)械密封軸套O形密封圈可能在安裝過(guò)程中發(fā)生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長(zhǎng)而線徑變小，導(dǎo)致壓縮率變小，在泵運(yùn)行過(guò)程中泵送介質(zhì)會(huì)在這些位置滲漏至空氣側(cè)，從而使軸與軸套配合處部分間隙區(qū)間形成溶液環(huán)境。由于泵送介質(zhì)是除氧水，加上縫隙外氧氣難以進(jìn)入縫內(nèi)，縫隙內(nèi)外形成氧濃差電池，縫內(nèi)泵軸表面金屬為陽(yáng)極，縫外自由表面為陰極，縫內(nèi)金屬不斷發(fā)生溶解，縫內(nèi)溶液陽(yáng)離子堆積。為保持電荷平衡，縫隙外游離氯離子被吸引至縫內(nèi)，縫內(nèi)金屬鹽（氯化物）發(fā)生水解，產(chǎn)生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，使縫內(nèi)溶液pH下降，進(jìn)一步促使縫內(nèi)金屬溶解。上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，互相促進(jìn)，最終導(dǎo)致縫隙內(nèi)發(fā)生幾何形狀變化，腐蝕產(chǎn)物堆積。

5 改進(jìn)措施

根據(jù)給水增壓泵泵軸縫隙腐蝕發(fā)生原因的分析，改進(jìn)措施為：廠家參照壓力級(jí)機(jī)械密封，對(duì)現(xiàn)有軸套O形密封圈進(jìn)行改型，增加了密封圈線徑。大修檢查結(jié)果表明，壓力級(jí)給水泵泵送壓力更高，泵軸檢查未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，證明增加O形密封圈線徑后，機(jī)械密封安裝過(guò)程中O形密封圈不易發(fā)生卷扭，泵組運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)滲漏，消除了縫隙腐蝕發(fā)生的條件。目前已在進(jìn)行機(jī)械密封改型替代。