某核電站熱試期間堆芯上柵格板嵌入件腐蝕原因分析

董洪全 馬大海 李 克

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

如圖1所示，某核電站堆芯上柵格板為反應(yīng)堆燃料組件提供定位，其邊緣開有4個(gè)定位鍵槽，每個(gè)鍵槽左右兩側(cè)裝有嵌入件，嵌入件表面堆焊鈷基合金。在熱試后檢查發(fā)現(xiàn)嵌入件表面的鈷基合金出現(xiàn)多處損傷，損傷以凹坑和擦痕的形式呈現(xiàn)，并存在黑色殘留物。對(duì)損傷部位放大觀察（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)損傷呈現(xiàn)較為典型的局部腐蝕形貌。本文從嵌入件及腐蝕部位、腐蝕產(chǎn)物方面展開分析。

圖2 嵌入件腐蝕缺陷形貌（50×）

1 失效分析

核電在嵌入件基體上堆焊有鈷基合金，其磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異[1,2]，為了探究嵌入件表面腐蝕原因，本文進(jìn)行了成分測(cè)試、金相試驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、SEM和能譜分析等實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1.1 成分分析

本文對(duì)距熔合線5mm處焊縫橫截面合金成分進(jìn)行了分析，如表1所示，堆焊層縱向表面合金成分符合RCC-M MC1350規(guī)范要求。

表1 距熔合線5mm處堆焊層化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（wt%）

對(duì)見證件進(jìn)行SEM微觀分析，圖3為距熔合線5 mm處縱向橫截面的SEM形貌，其結(jié)果表明各主要合金元素分布均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象。

圖3 距熔合線5 mm處縱向表面的SEM面掃描結(jié)果（500×）（a：焊縫表面形貌；b：焊縫表面Fe分布；c：焊縫表面Cr分布；d：焊縫表面Co分布；e：焊縫表面C分布；f：焊縫表面W分布）

1.2 硬度測(cè)試

對(duì)堆焊層進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。其硬度符合RCC- M MC1280標(biāo)準(zhǔn)，

表2 距熔合線5mm處縱向試樣表面的硬度檢驗(yàn)結(jié)果

1.3 金相分析

對(duì)樣品進(jìn)行金相分析，圖4為嵌入件母材組織形貌，表明基體母材為孿晶奧氏體組織，晶粒度為4～5級(jí)，未見異常。圖5為熔合區(qū)組織形貌，可以看出堆焊層單層厚度約1.8mm，熔合區(qū)晶粒粗大，發(fā)生碳遷移現(xiàn)象，為正常焊接組織，未見異常；圖6為距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌，可以看出堆焊層縱向截面焊縫組織為鑄態(tài)奧氏體，未見異常；綜上所示，焊縫組織未發(fā)現(xiàn)偏析、夾渣、微裂紋和未融合等缺陷，未見異常。

圖4 螺栓絕緣套筒示意圖

圖4 嵌入件母材組織形貌

圖5 堆焊熔合區(qū)組織形貌

圖6 距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌

1.4 殘留物的微觀分析

對(duì)嵌入件表面的黑色殘留物進(jìn)行SEM微觀分析，殘留物的微觀形貌如圖7所示。如表3所示，殘留物中除W、Cr、Co等元素外，還有微量的Cl元素。

表3 不同殘留物（垢樣）中主要合金元素成分（wt%）

圖7 殘留物的微觀形貌（1000×）

殘留物中Cl元素為外來元素，依據(jù)其運(yùn)行工況和安裝環(huán)境分析[3]，可能是在裝配過程中引入的。經(jīng)調(diào)查，裝配過程使用了潤(rùn)滑油，則對(duì)涂抹的同類型潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明潤(rùn)滑油中含有氯元素（如表4所示）。

表4 潤(rùn)滑劑S、Cl、F元素檢測(cè)結(jié)果

2 結(jié)果與討論

樣品的化學(xué)成分、金相結(jié)構(gòu)、硬度均符合規(guī)范要求，SEM檢查表明各主要合金元素分布均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象，但在腐蝕產(chǎn)物的SEM和能譜分析檢查中發(fā)現(xiàn)了氯元素，且分析證明其來自裝配過程中使用的潤(rùn)滑劑。同時(shí)，對(duì)嵌入件與定位銷之間的裝配尺寸進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)嵌入件與導(dǎo)向銷之間的大部分縫隙尺寸恰好在縫隙腐蝕敏感縫寬（0.025～0.1mm）的范圍內(nèi)[4]，而嵌入件表面堆焊層使用的是Stellite 6鈷基合金，其對(duì)縫隙腐蝕敏感，進(jìn)而潤(rùn)滑劑中的氯元素增加了縫隙腐蝕的發(fā)生傾向。

在熱試條件下，堆內(nèi)構(gòu)件因激勵(lì)源作用產(chǎn)生的流致振動(dòng)較為嚴(yán)重，當(dāng)縫隙中積聚一定的雜質(zhì)顆粒和氧化物顆粒，振動(dòng)摩擦將導(dǎo)致微粒破壞Stellite 6合金的鈍化膜，使縫隙腐蝕的腐蝕速率增加。

綜上所述，導(dǎo)致嵌入件在熱試中發(fā)生腐蝕可能由安裝縫隙、潤(rùn)滑劑帶來的氯離子和振動(dòng)三個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)語

（1）導(dǎo)致堆內(nèi)構(gòu)件中嵌入件發(fā)生腐蝕的原因是它與導(dǎo)向銷之間的大部分縫隙尺寸恰在縫隙腐蝕敏感縫寬（0.025～0.1mm）的范圍內(nèi)，且在氯離子和摩擦的作用下發(fā)生了縫隙腐蝕；

（2）在設(shè)備安裝過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制外來元素的引入，尤其是鹵素。