核電廠海水循環(huán)水系統(tǒng)金屬膨脹節(jié)失效分析

史 磊 白占坤 方奇術(shù)

（1. 山東核電有限公司，山東 海陽 265116；2. 國家電投集團電站運營技術(shù)（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

膨脹節(jié)的一般功能是吸收尺寸的變化，例如由管道或者容器引起的熱膨脹或者收縮，膨脹節(jié)將根據(jù)不同的應(yīng)用而變化。波紋管膨脹節(jié)是現(xiàn)代動力管網(wǎng)和設(shè)備進行熱補償?shù)年P(guān)鍵部件之一，其作用除了位移補償外，還兼有減振降噪和密封的功能。波紋管膨脹節(jié)之所以受到工程人員的特別關(guān)注，主要是它的應(yīng)用日趨廣泛，不僅廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、原子能等工業(yè)部門，還應(yīng)用于機車、船舶、城市燃氣和民用部門。波紋管在實際使用中，工作環(huán)境苛刻：（1）工作介質(zhì)常為強腐蝕介質(zhì)，如硫化物、氯化物、衍生的亞硫酸、連多硫酸等有害成分；（2）金屬波紋管在加工中形成的殘余應(yīng)力，工作中的介質(zhì)壓力、熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力等，這些因素常常導(dǎo)致波紋管產(chǎn)生腐蝕，繼而引發(fā)爆炸、中毒等惡性事故，給企業(yè)生產(chǎn)、安全造成嚴重影響[1]。

作為管系補償?shù)闹匾考?，膨脹?jié)在核電站中有著廣泛的應(yīng)用，如汽輪機抽汽管線、給水管道、凝結(jié)水管道、通風管道等。隨著核電機組運行時間延長，膨脹節(jié)失效事件逐漸增多。不同類型的膨脹節(jié)，根據(jù)其使用環(huán)境不同，其失效機理和原因各有不同。膨脹節(jié)失效原因包括制造、安裝、工況、腐蝕等方面多個因素的影響。美國電力研究院EPRI給出的安裝在核電站金屬膨脹節(jié)最常見失效原因。其中對于金屬膨脹節(jié)，其它及不明原因包括水錘、制造缺陷、電化學腐蝕、侵蝕、設(shè)計、損壞、循環(huán)疲勞和振動、縫隙腐蝕和腐蝕等，而橡膠/織物膨脹節(jié)則包括水錘、超壓、高溫、受力過大和侵蝕等。

1 概述

核電廠海水循環(huán)水系統(tǒng)是核電廠的最終冷卻水源，為凝汽器和部分輔機提供冷卻水源。在循壞水水泵的出口和凝汽器的進出口，均設(shè)置有大口徑金屬波紋管膨脹節(jié)，可以補償循泵出口壓力波動導(dǎo)致的管線位移和振動或者凝汽器在啟停機過程中受冷熱膨脹導(dǎo)致的熱位移。

某核電廠海水循環(huán)水系統(tǒng)的金屬波紋管膨脹節(jié)設(shè)計壓力為0.6MPa，設(shè)計位移量為軸向位移±15mm、橫向位移±15mm，主要由波紋管、法蘭、導(dǎo)流筒、拉桿、耳板、墊圈組成。其中波紋管采用四層結(jié)構(gòu)，內(nèi)一層為254SMo材質(zhì)，外三層為316L材質(zhì)，導(dǎo)流筒及法蘭為316L材質(zhì)，過流表面均涂覆ZF101環(huán)氧砂漿涂料，設(shè)計材質(zhì)為可耐該核電廠取水的黃海海水腐蝕。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)

在該核電廠首次換料大修期間，對循環(huán)水系統(tǒng)的金屬波紋管膨脹節(jié)進行抽檢，發(fā)現(xiàn)部分膨脹節(jié)內(nèi)部導(dǎo)流板與波紋管存在孔蝕、點蝕，膨脹節(jié)外部在波紋管與法蘭焊縫連接處存在明顯泄漏導(dǎo)致的銹蝕痕跡。腐蝕情況如圖2所示。

圖2 導(dǎo)流板上孔蝕及外部焊縫泄漏痕跡

2 腐蝕原因分析

由于核電站采用海水用冷卻水源，膨脹節(jié)運行介質(zhì)為海水存在氯離子，使得一般奧氏體不銹鋼在海水及海洋環(huán)境中均存在明顯的點蝕問題。設(shè)備在海水環(huán)境內(nèi)與海水直接偶接，可能導(dǎo)致了電偶腐蝕的發(fā)生。例如在上世紀90年代，黃島油碼頭輸油管采用了316L波紋管膨脹節(jié)，在較短時間內(nèi)就發(fā)生了波紋管外表點蝕問題，點蝕坑布滿波紋管表面。超級奧氏體不銹鋼254Mo材料本身的抗海水腐蝕效果是優(yōu)秀的，也可用于管道制作，但受制于波紋管特殊的形狀和成型方法（包括液壓成型、滾壓成型及機械脹型等冷成型方法），該材質(zhì)用于波紋管其效果并不理想。通過經(jīng)驗反饋并結(jié)合現(xiàn)場分析，此膨脹節(jié)發(fā)生腐蝕誘因主要有以下幾點。

2.1 表面氧化膜破損

完整的表面氧化膜有助于不銹鋼的耐蝕。波紋管在制作過程中，尤其是成型中存在的與模具摩擦因素，波紋管表面的氧化膜會遭到不同程度的破壞，破壞處易發(fā)生腐蝕。

2.2 波紋管表面破損

波紋管在成型及后期焊裝過程中，波紋管表面會存在不同程度磨損、劃痕、飛濺等缺陷；在安裝入管線后隨機組運行期間，因循環(huán)水水質(zhì)較差，大顆粒的雜物無法通過濾網(wǎng)有效過濾，可能會沖擊波紋管，導(dǎo)致波紋管表面缺陷處存在應(yīng)力集中和電位差，缺陷部位容易發(fā)生腐蝕，包括點蝕和應(yīng)力 腐蝕。

2.3 成型殘余應(yīng)力

不論波紋管采用水壓、滾壓或機械脹型等方法成型，成形后波紋管內(nèi)存在殘余應(yīng)力，且應(yīng)力水平不均勻，波谷和波峰處區(qū)域由于變形大，殘余應(yīng)力水平高。高的殘余應(yīng)力在往往會造成波紋管的應(yīng)力腐蝕及疲勞破壞。

2.4 焊接缺陷

波紋管與接管焊接的環(huán)焊縫不論在相關(guān)標準中規(guī)定，還是在實際操作中，均僅采用表面方法，包括VT、PT或MT等進行缺陷檢查，不采用RT等方式進行內(nèi)部缺陷檢查。在較大口徑產(chǎn)品中，該焊縫存在圖3所示的虛焊（內(nèi)部未充分融合）現(xiàn)象。焊縫部位的熱影響區(qū)和熔合區(qū)材料化學成分區(qū)域，與母材之間存在電位差，在海水介質(zhì)作用下與母材間易形成電偶腐蝕。

圖3 虛焊示意圖

2.5 變形應(yīng)力

在核電廠運行過程中，波紋管時常發(fā)生位移變形，同時，環(huán)焊縫處還存在變形應(yīng)力，且變形產(chǎn)生的應(yīng)力并不均勻，尤其是發(fā)生橫向及角向變形時。同時大口徑波紋管的變形應(yīng)力會很大，其不均勻程度也大。在存在位移循環(huán)，尤其是存在振動的場合，波紋管環(huán)焊縫有疲勞破壞的風險。如焊縫存在虛焊現(xiàn)象，焊接強度不足，在較短時間內(nèi)（1～2年內(nèi)，最短的是在1個月內(nèi)），波紋管環(huán)焊縫就會開裂。另外，運行過程由于膨脹節(jié)存在交變應(yīng)力，在交變應(yīng)力和含高濃度氯離子海水介質(zhì)共同作用下，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞。

3 改善措施及建議

在國內(nèi)外核電廠循環(huán)水管道，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用整體密封面、纏繞式結(jié)構(gòu)的橡膠膨脹節(jié)。與金屬波紋管膨脹節(jié)相比，橡膠膨脹節(jié)具有以下優(yōu)點：

3.1 耐蝕性能優(yōu)

可選用氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、氟橡膠等多種材質(zhì)適用不同環(huán)境和介質(zhì)，耐蝕腐性能遠大于金屬膨脹節(jié)。

3.2 應(yīng)力腐蝕不敏感

生產(chǎn)中沒有應(yīng)力產(chǎn)生并且鋼度低，對管道沒有破壞應(yīng)力；產(chǎn)品自帶密封，不需要另外加附密封墊片，安裝方便；軸向、徑向、角向的伸縮量均大于相同公稱通經(jīng)的金屬膨脹節(jié)，補償性能優(yōu)，壓縮后安裝便利。

表2 常見材料問題和故障排除

另外，根據(jù)美國電力科學院的統(tǒng)計分析金屬膨脹節(jié)和橡膠/織物膨脹節(jié)的失效機理，如表1所示。核電站運營方可以根據(jù)運行環(huán)境和失效機理的敏感性選取合適材料膨脹節(jié)[2]。

表1 不同類型膨脹節(jié)失效敏感性分析

4 結(jié)語

腐蝕在核電廠中屬于較為常見的設(shè)備缺陷形式，尤其是海工系統(tǒng)。在核電廠的設(shè)計、建造、調(diào)試、運行各個階段的防腐因素都應(yīng)引起核電廠的重視，才能最大吸納度的減少腐蝕帶來的損失，確保機組的安全可靠運行。表2給出了不同的失效機理和常見的金屬膨脹節(jié)材料類型的問題。該表對排除故障在材料失敗的原因分析，及提供建議的解決方案方面有幫助。核電廠亦未有膨脹節(jié)專項設(shè)備管理性文件。作為管系補償元件，核電站膨脹節(jié)的狀態(tài)對于延續(xù)設(shè)備的可靠性有著非常重要的作用。其壽命根據(jù)設(shè)計、安裝方法、應(yīng)用及服役條件的不同而不同。因此，從維護成本及安全的角度來說，均有必要針對核電站膨脹節(jié)，在對其詳細調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上建立一個系統(tǒng)性管理平臺，規(guī)范管理膨脹節(jié)的檢查、維修和/或關(guān)鍵膨脹節(jié)的更換等方面的相關(guān)活動，以保證相關(guān)設(shè)備的可靠運行[3]。