核電站海水循環(huán)水泵部件腐蝕原因分析及處理

張?jiān)魄?馬向陽(yáng) 高倩鈺 張曉虎

（1. 江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222024；2. 中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088）

0 引言

田灣核電站海水循環(huán)采用的是俄羅斯OB2-185E型泵，立式安裝，下部是工作葉輪,海水通過(guò)泵管由-10M提升到+2M，進(jìn)入凝汽器水室，海水循環(huán)水泵長(zhǎng)期處于苛刻的海水腐蝕環(huán)境中，OB2-185E泵的初始防腐設(shè)計(jì)是通過(guò)材料自身的耐海水腐蝕特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要部件都選用不銹鋼材料，部件材料見(jiàn)表1所示，在泵的入口及出口處分別設(shè)置了一段A3鋼材料的管段，此兩段管道各安裝6塊犧牲陽(yáng)極，陽(yáng)極尺寸為（350+300）×（140+100）×65mm，鐵腳尺寸30×30×3mm，重7.5Kg，泵體結(jié)構(gòu)示意圖及犧牲陽(yáng)極布置圖見(jiàn)分別如圖1、圖2所示。循泵由多種材質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)部防腐的好壞取決于陽(yáng)極保護(hù)的效果，不當(dāng)?shù)年帢O保護(hù)會(huì)帶來(lái)腐蝕問(wèn)題甚至影響設(shè)備的正常運(yùn)行[1-4]。

圖1 泵體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 進(jìn)出口犧牲陽(yáng)極

表1 PAC循泵主要零部件材料表

循泵的冷卻介質(zhì)都是黃海連云港市高公島鄉(xiāng)海域的海水，地處季風(fēng)氣候的海濱地區(qū)，地理坐標(biāo)119°27′33″E，34°41′09″N。海水表層平均溫度14.8℃，夏季25.6℃，冬季3.8℃，最高31.5℃，最低-2.0℃，海水成分如表2所示。

表2 田灣核電海水成分表

1 腐蝕缺陷及原因分析

2005年設(shè)備普查時(shí)在循泵泵體上發(fā)現(xiàn)過(guò)一些腐蝕問(wèn)題，這些腐蝕問(wèn)題主要是由于設(shè)備調(diào)試期間，泵進(jìn)海水試轉(zhuǎn)后，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有運(yùn)行，滯留海水和泥沙沉積造成的不銹鋼部件的局部腐蝕，表象多為縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕，采取了一些措施如加裝淡水沖洗管線，泵殼外增加電連接，對(duì)泥沙分離器擴(kuò)孔等，這些措施在一定程度上解決了或者緩解了一些腐蝕問(wèn)題。在后期解體檢修時(shí)，主要發(fā)現(xiàn)下面幾個(gè)顯著的腐蝕問(wèn)題。

1.1 循泵進(jìn)出口陽(yáng)極脫落

在前幾次大修中，多次發(fā)現(xiàn)有犧牲陽(yáng)極脫落或半脫落，脫落的陽(yáng)極在泵的渦流作用下與葉輪間歇性碰觸，會(huì)造成泵入口異音、循泵停泵、機(jī)組降功率運(yùn)行。脫落的部位都是在犧牲陽(yáng)極鐵腳與碳鋼管道的結(jié)合處。

此類陽(yáng)極是俄羅斯供貨，外形近似我國(guó)A11E-8型號(hào)陽(yáng)極，陽(yáng)極脫落后，取樣進(jìn)行了化學(xué)成分和電化學(xué)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示如表3所示。

表3 樣品化學(xué)成分

目前，Al-Zn-In系合金是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的鋁犧牲陽(yáng)極系列，化學(xué)成分如表4所示。其中鋁是自鈍化金屬，活性強(qiáng)，表面極易鈍化，若要作為犧牲陽(yáng)極材料，只能通過(guò)合金化限制和阻止表面形成連續(xù)性氧化膜，促進(jìn)表面活性，使合金具有較負(fù)的電位和較高的電流效率。作為犧牲陽(yáng)極用的鋁合金，一般會(huì)填加5%左右的鋅，Zn 鋅作為鋁陽(yáng)極的合金元素有如下特點(diǎn)：

表4 Al-Zn-In系合金陽(yáng)極的化學(xué)成分

（1）有助于鋁的合金化，成分均勻；

（2）使鋁的電位負(fù)向移動(dòng)0.1～0.3V；

（3）易活化，產(chǎn)物易脫落。為使陽(yáng)極的腐蝕產(chǎn)物更易脫落，在Al-Zn兩元合金基礎(chǔ)上填加In，這樣陽(yáng)極表面生成一層膠狀的腐蝕產(chǎn)物，較為松軟，易被水沖掉，Al-Zn-In系合金的腐蝕形態(tài)不夠均勻，有蝕坑，為了進(jìn)一步改善陽(yáng)極性能，現(xiàn)在又在Al-Zn-In中填加Cd、Sn、Si及Mg等元素。

分析俄羅斯供的陽(yáng)極化學(xué)成分，未檢測(cè)到In和Cd等有益的合金元素，因此表面腐蝕產(chǎn)物不容易溶掉，從而積聚結(jié)殼，將陽(yáng)極包裹，如圖3所示，這種包裹使陽(yáng)極鈍化，進(jìn)而加速陽(yáng)極的極化，降低甚至喪失原有的保護(hù)功能，失效而脫落的陽(yáng)極如圖4所示。

圖3 陽(yáng)極腐蝕產(chǎn)物包裹示意圖

圖4 實(shí)際脫落的陽(yáng)極形貌

陽(yáng)極在安裝前，沒(méi)有采取重防腐涂料保護(hù)陽(yáng)極背面，陽(yáng)極工作后，陽(yáng)極背面和被保護(hù)體之間縫隙中腐蝕產(chǎn)物體積擴(kuò)張且又難以溶于海水，使陽(yáng)極鐵腳承受巨大的拉應(yīng)力；另一方面，由于俄供陽(yáng)極成分單一，腐蝕產(chǎn)物溶解性極差，造成陽(yáng)極外表面結(jié)殼，阻止陽(yáng)極連續(xù)反應(yīng)，無(wú)法釋放保護(hù)電流，使碳鋼鐵腳失去保護(hù)，直接暴露在海水中迅速發(fā)生腐蝕，在拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下，最終斷裂。

1.2 循泵葉輪主螺栓局部腐蝕

葉輪連接主螺栓材料為07X14H4Б，是一種低碳馬氏體不銹鋼，是非常優(yōu)良的水輪機(jī)、水泵零件用材料，其有著優(yōu)異的機(jī)械性能，屈服強(qiáng)度達(dá)到800MPa，主螺栓安裝后，位于導(dǎo)流罩內(nèi)，安裝的位置如圖5、圖6所示。在泵運(yùn)行期間，導(dǎo)流罩內(nèi)海水屬于非流動(dòng)海水，并且會(huì)有淤泥沉積下來(lái)，腐蝕環(huán)境比較苛刻，而螺母材料為高溫變形不銹鋼，由于螺栓材料（馬氏體不銹鋼）在海水中的抗蝕性低于部件基材和螺母材料，所以被腐蝕的都是螺栓，相當(dāng)于犧牲了螺栓，保護(hù)了螺母和其他附近部件。

圖5 葉輪主螺栓的裝配圖

圖6 葉輪主螺栓安裝位置圖

而對(duì)于進(jìn)口段的碳鋼管段及犧牲陽(yáng)極所產(chǎn)生的保護(hù)陰極電流，由于導(dǎo)流罩的強(qiáng)大的電流屏蔽作用，根本到達(dá)不了主螺栓部位，所以此處螺栓完全處于非保護(hù)狀態(tài)。淤泥的沉積及電化學(xué)的雙重作用，產(chǎn)生的特征明顯的沉積腐蝕形貌[1]，如圖7所示，螺栓拆除清洗后的形貌如圖8所示。

圖7 主螺栓在安裝位置的腐蝕形貌

圖8 主螺栓清洗后的腐蝕形貌

2 處理方案及效果驗(yàn)證

2.1 PAC循泵進(jìn)出口陽(yáng)極處理及效果驗(yàn)證

根據(jù)陽(yáng)極的脫落原因，采取了如下幾項(xiàng)措施：（1）提出物項(xiàng)替代，將原俄供陽(yáng)極更換為國(guó)產(chǎn)的雙鐵腳鋁鋅銦三元合金陽(yáng)極；（2）編制陽(yáng)極更換程序，程序中作出明確規(guī)定，在陽(yáng)極安裝前，陽(yáng)極背面必須涂裝重防腐涂料；（3）在陽(yáng)極安裝后，將所有外露的陽(yáng)極鐵腳，采取重防腐涂料涂裝保護(hù)。安裝后的陽(yáng)極狀態(tài)如圖9所示。

圖9 陽(yáng)極安裝后的形貌

陽(yáng)極安裝后經(jīng)過(guò)幾個(gè)大修周期的驗(yàn)證，陽(yáng)極消耗均勻，腐蝕產(chǎn)物脫落正常，陽(yáng)極鐵腳連接緊固，如圖10所示。被保護(hù)體處于陰極保護(hù)狀態(tài)未見(jiàn)腐蝕，未再發(fā)生陽(yáng)極脫落導(dǎo)致機(jī)組停泵降功率事件。

圖10 陽(yáng)極使用10個(gè)月后的形貌

2.2 循泵葉輪主螺栓處理及效果驗(yàn)證

主螺栓安裝位于導(dǎo)流罩內(nèi)部，由于電流屏蔽效應(yīng)，外部的犧牲陽(yáng)極的保護(hù)電流難以到達(dá)，所以現(xiàn)場(chǎng)采取兩項(xiàng)措施進(jìn)行了改進(jìn)：

（1）在葉輪主螺栓外圍一周加裝環(huán)形鐵犧牲陽(yáng)極，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充陰極保護(hù)，如圖11、圖12所示；

圖11 環(huán)形鐵陽(yáng)極

圖12 葉輪的主螺栓安裝位置的實(shí)物照片

（2）對(duì)所有螺栓的外露部分加裝保護(hù)罩，并采取密封膠密封，防止海水進(jìn)入內(nèi)部，達(dá)到隔絕電解質(zhì)的目的，安裝后如圖13所示。

圖13 主螺栓加保護(hù)罩后的形貌

經(jīng)過(guò)幾個(gè)大修周期，拆除保護(hù)罩后，螺栓頭部未見(jiàn)腐蝕，保護(hù)良好，如圖14所示。

圖14 使用一個(gè)大修周期后的形貌

3 結(jié)語(yǔ)

核電站的海水系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題根據(jù)各個(gè)電站所處的海域，設(shè)備材料等級(jí)，運(yùn)行工況等有所不同，海水的腐蝕性較強(qiáng)，同時(shí)構(gòu)成海水系統(tǒng)的材料種類繁多，極易構(gòu)成電偶腐蝕電池，導(dǎo)致局部腐蝕的發(fā)生，如果由于陽(yáng)極材料與環(huán)境不匹配，陰極保護(hù)電流屏蔽等原因?qū)е玛帢O保護(hù)效果較差，將無(wú)法抑制腐蝕的發(fā)生，本文所述的幾個(gè)腐蝕問(wèn)題也多為不銹鋼材料的局部腐蝕（如點(diǎn)蝕，縫隙腐蝕等），根據(jù)腐蝕類型采取相應(yīng)的防腐工藝措施，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是能夠很好的抑制腐蝕的發(fā)生的，進(jìn)而保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，以海水主循環(huán)泵的腐蝕原因分析與良好應(yīng)對(duì)措施為例，對(duì)于核電站海水系統(tǒng)腐蝕與防護(hù)工作有以下幾點(diǎn)建議：

（1）加強(qiáng)交流，借鑒同行的成功經(jīng)驗(yàn)；

（2）靈活運(yùn)用各種防腐蝕工藝，如熱噴涂，涂裝，陰極保護(hù)，襯里等技術(shù)，調(diào)查引起腐蝕的主要原因后，需要針對(duì)性的調(diào)整防腐措施；

（3）建立設(shè)備腐蝕檔案，對(duì)腐蝕進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)督，以“防”為主。