堆腔密封環(huán)失效故障分析與處理

□王新剛

壓水堆核電站停堆換料期間，換料水池充滿了含硼水，對堆芯燃料及堆芯構(gòu)件產(chǎn)生的強輻射進行屏蔽，達(dá)到保護工作人員的目的。換料水池為不銹鋼板覆面，其池底通過堆腔密封環(huán)與壓力容器上法蘭面的凸緣焊接。堆腔密封環(huán)設(shè)計為U型結(jié)構(gòu)，以吸收壓力容器在不同工況下的形變，保證鋼覆面的密封性。某核電廠1#、2#機組多次發(fā)現(xiàn)堆腔密封環(huán)存在貫穿性裂紋缺陷。換料水池漏水缺陷，不僅使污染物質(zhì)隨含硼水漏入壓力容器房間，造成污染擴散，更對設(shè)置在反應(yīng)堆壓力容器外的堆芯監(jiān)測裝置產(chǎn)生極大的威脅。一旦堆芯監(jiān)測裝置由于漏水導(dǎo)致絕緣不合格，不僅影響大修工期，同時給機組的安全穩(wěn)定運行帶來很大的隱患。

一、堆腔密封環(huán)失效類型分析

(一)堆腔密封環(huán)的結(jié)構(gòu)與缺陷描述。堆腔密封環(huán)為U型環(huán)槽，主要由密封環(huán)、密封環(huán)板、小定心環(huán)、大定心環(huán)、密封環(huán)支撐板、豎直覆面板、環(huán)形骨架角鋼及其支撐件等組成。堆腔密封環(huán)內(nèi)側(cè)與壓力容器上法蘭凸緣焊接連接。外側(cè)通過豎直覆面板搭接于池底覆面板的環(huán)形骨架角鋼上。豎直覆面板呈L型，下部折彎處與固定在大小定心環(huán)內(nèi)的支撐板焊接，起到支撐固定作用。除大、小定心環(huán)為Q345R材質(zhì)外，其他部件均為304L不銹鋼。2012年某核電廠大修卸料期間，在換料水池正下方的房間頂部發(fā)現(xiàn)有硼結(jié)晶和有水沿鋼結(jié)構(gòu)和墻壁向外滲出。初步懷疑堆腔密封環(huán)漏水,通過對堆腔面密封環(huán)各部件母材和焊縫及其熱影響區(qū)進行反滲透和液體滲透檢查，發(fā)現(xiàn)：豎直覆面板母材折彎處、焊縫及熱影響區(qū)存在貫穿性裂紋缺。

(二)堆腔密封環(huán)失效類型確定。對失效部件進行材質(zhì)分析表明：豎直覆面板材質(zhì)確定為304L，且各項元素均在標(biāo)準(zhǔn)范圍，無超標(biāo)。對失效部件宏觀分析，發(fā)現(xiàn)型豎直覆面板與混凝土接觸側(cè)腐蝕極為嚴(yán)重，并有大量腐蝕產(chǎn)物剝落，說明腐蝕起源于接觸混凝土側(cè)。對失效部件研磨并拋光后進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)：總體上裂紋分支較少，L型豎直覆面板靠近混凝土側(cè)腐蝕非常嚴(yán)重，局部從混凝土側(cè)腐蝕減薄量達(dá)到約2.5mm(原厚度為3mm)。在金相顯微鏡觀察下可見樹枝狀裂紋形貌，蝕刻后觀察顯示：裂紋均為穿晶擴展。對失效部件取樣，并將裂紋掰開后，用掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)，斷口表面覆蓋大量腐蝕產(chǎn)物，其形貌為龜裂狀的泥狀花樣，脫膜后斷口均表現(xiàn)為脆性斷口，斷口中可見許多河流花樣和魚骨狀花樣并可見大量二次斷口。綜上，L型豎直覆面板裂紋具有應(yīng)力腐蝕的典型特征，確定L型豎直覆面板斷裂屬于不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)。

二、根本原因分析

應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)是指金屬在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下引起的一種破壞[1]。應(yīng)力腐蝕開裂必須同時滿足三個條件：金屬本身對應(yīng)力腐蝕的敏感性、能引起該金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)、一定的拉應(yīng)力。豎直覆面板材質(zhì)為304L，屬于奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼雖然具有良好的耐蝕性，但是在腐蝕介質(zhì)(通常為氯化物、堿溶液和硫化氫)存在的情況下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

(一)豎直覆面板附著物及裂紋斷口腐蝕產(chǎn)物分析。對豎直覆面板附著物及裂紋斷口腐蝕產(chǎn)物進行掃描電鏡及能譜(SEM/EDS)分析，發(fā)現(xiàn)無論是混凝土側(cè)附著物還是裂紋腐蝕產(chǎn)物中，均含有大量的氯離子。且腐蝕產(chǎn)物中氯離子含量更是高達(dá)0.32%。根據(jù)研究表明:304不銹鋼在60℃中性溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界氯離子濃度約為90mg/L(0.009%)[2]。附著物及腐蝕產(chǎn)物中的氯離子濃度遠(yuǎn)超過臨界值，使豎直覆面板存在較強的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

(二)混凝土中氯離子來源分析。機組建造期間，換料水池相關(guān)工作施工過程中，按照要求嚴(yán)格控制氯離子來源。但經(jīng)查詢建造期間的歷史記錄發(fā)現(xiàn)，換料水池鋼覆面密封環(huán)接觸的混凝土施工中，由于某種原因，使用氯乙烯-偏氯乙烯共聚乳液替代了丙烯酸樹脂含水乳化液或苯乙烯含水乳化液。

氯乙烯-偏氯乙烯共聚乳液(簡稱氯-偏共聚乳液)是一種新型高分子合成膠乳，其與氯-偏共聚乳液具有相同的功能團。已有研究顯示氯-偏共聚乳液在紫外線的照射下易發(fā)生材料降解，最終會產(chǎn)生HCl。有在反應(yīng)堆運行環(huán)境下，必然存在比紫外線更高能量的γ射線，γ射線，氯乙烯-偏氯乙烯在高能射線的輻照下會發(fā)生分子間交聯(lián)和分子內(nèi)斷裂降解兩種反應(yīng)[3]。無論發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)或降解反應(yīng)，均會產(chǎn)生HCl，HCl遇水則會電解形成Cl-。

(三)拉應(yīng)力來源分析。豎直覆面板由于冷彎加工和焊縫焊接，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)過理論分析證明，冷彎加工使豎直覆面板折彎處產(chǎn)生塑性變形，存在殘余應(yīng)力，靠混凝土側(cè)折彎處表面沿壓力容器圓周方向的應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值大于60.9MPa。另研究表明，在焊縫附近，沿焊接方向和垂直于焊接方向的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且沿焊接方向的殘余應(yīng)力值較大，并接近屈服強度。焊縫焊接產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力也是引起豎直覆面板應(yīng)力腐蝕開裂的一個誘因。

(四)根本原因確定。堆腔密封環(huán)失效為典型的奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。其氯離子來源為氯-偏共聚乳液在強輻照下發(fā)生分子間交聯(lián)及降解反應(yīng)生成。拉應(yīng)力來源主要為堆腔密封環(huán)各部件焊縫附近的焊接殘余拉應(yīng)力，部分部件存在冷彎加工導(dǎo)致的殘余拉應(yīng)力。

三、缺陷處理

(一)處理方案的確定。應(yīng)力腐蝕開裂的三個必要條件為敏感的材質(zhì)、腐蝕環(huán)境和一定的拉應(yīng)力，只要控制其中一個條件不發(fā)生，則就不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。根據(jù)工程實踐和檢修成本，處理方案確定從控制氯離子來源方面考慮。為了控制氯離子來源，具體措施為以下幾方面：一是將與堆腔密封環(huán)L型豎直覆面板接觸的混凝土去除，并使用厚度為12mm的隔離鋼板進行隔離，減少原混凝土中氯離子的遷移。二是使用新的混凝土中不含氯元素，且在施工過程中攪拌混凝土使用不含氯離子的無鹽水。三是混凝土與鋼覆面接觸的方使用防塵漆，作為二次防護，防止氯離子與不銹鋼覆面板接觸。

(二)實施難點及應(yīng)對措施。實施過程中，最大的難點為薄不銹鋼板焊接變形問題等，密封環(huán)組件環(huán)焊縫沿垂直方向橫向收縮，產(chǎn)生角變形，密封環(huán)板外側(cè)上翹，密封環(huán)上部直徑變大，呈喇叭口型。

焊接工藝中的焊接電流、焊接電壓、焊接速度均會對熱量輸入產(chǎn)生影響，進而影響焊接變形。針對影響焊接變形的因素，在制定焊接工藝與焊接實施過程中采取如下措施：一是密封環(huán)組件焊接即采用了熱量輸入少的TIG焊。焊絲選用直徑1mm的ER316L，電流60至90A，電壓10～15V，背部充氬氣保護。二是焊接前剛性固定。密封環(huán)與密封環(huán)板的環(huán)焊縫焊接前，使用5mm厚的三角形不銹鋼筋板支撐密封環(huán)組件，使密封環(huán)豎面和環(huán)板垂直。三角形不銹鋼筋板下方開一三角形槽，以便焊接環(huán)焊縫。筋板間隔500至600mm安裝一個，安裝方法采用點焊，在筋板的五個位置進行點焊，分別為：密封環(huán)豎直面上下兩點，折彎處靠近焊縫處，密封環(huán)板外側(cè)靠近塞焊處和焊縫附近。三是為了減少一次焊接熱量輸入過大，焊接過程中，控制一次焊接長度在100mm左右，采用跳焊焊接方法。四是焊接完成后，對密封環(huán)組件一周環(huán)焊縫進行輕輕敲擊校平(焊縫下墊砧木，上面用橡皮錘敲擊)，以釋放應(yīng)力。通過選擇合適焊接工藝、焊前剛性固定、焊接過程控制、焊后釋放應(yīng)力，成功解決了密封環(huán)組件薄板焊接變形問題，使焊接后密封環(huán)組件變形在可接收范圍內(nèi)。最終堆腔密封環(huán)整體更換工作分在大修期間順利完成。

四、結(jié)語

綜上所述，堆腔密封環(huán)失效為典型的奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂?；炷林械穆入x子來源于氯-偏共聚乳液在輻照下發(fā)生交聯(lián)和降解反應(yīng)。焊接及冷彎加工產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，也是導(dǎo)致堆腔密封應(yīng)力腐蝕開裂的一個必要條件。更換堆腔密封環(huán)同時去除原混凝土，施工過程中嚴(yán)格控制氯離子來源，可避免缺陷再次出現(xiàn)。堆腔密封環(huán)更換過程中最大的技術(shù)問題為薄不銹鋼板焊接變形問題，通過分析影響焊接變形的因素并制定應(yīng)對措施，順利解決了這一難題，成功完成了堆腔密封環(huán)更換工作，消除了機組的重大隱患，為機組穩(wěn)定運行提供了保障。同時也對其它核電站堆腔密封環(huán)類似問題的分析和處理有很好的借鑒意義。