核電廠水池結(jié)構(gòu)不銹鋼覆面在模擬泄漏環(huán)境中的腐蝕性能研究

劉 忠 韓傳偉 劉洪群

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠機組反應(yīng)堆水池及乏燃料水池不銹鋼覆面不銹鋼板材焊接而成，以容納水池內(nèi)部大量硼酸水[1]。對于M310和CPR1000堆型而言，水池結(jié)構(gòu)材料通常由厚度3～6mm的304L不銹鋼覆面構(gòu)成。對于三代機組而言，水池結(jié)構(gòu)材料通常由S32101等雙相不銹鋼等構(gòu)成。覆隨著服役時間的增長，水池結(jié)構(gòu)出現(xiàn)泄漏的可能性也隨之增加，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)多起水池泄漏的事件[2,3]。

水池不銹鋼覆面的焊縫及熱影響區(qū)域往往是腐蝕敏感部位。就介質(zhì)而言，水池內(nèi)部介質(zhì)通常為硼酸水，呈弱酸性。以大亞灣為例，水池內(nèi)部介質(zhì)要求為B3+濃度2300～2500mg/L、Cl-和F-濃度＜0.15mg/L。水池結(jié)構(gòu)泄漏的失效機理主要包括原始焊接缺陷、不銹鋼覆面從水側(cè)開始的腐蝕、不銹鋼覆面從混凝土側(cè)開始的腐蝕等。國內(nèi)某核電廠水池不銹鋼覆面發(fā)生開裂，斷口顯示氯離子濃度（質(zhì)量分數(shù)）達0.18%[4]。徐為民、張微嘯等人研究了304L不銹鋼在硼酸水中的腐蝕行為[5,6]。本工作以304L不銹鋼焊接件為研究對象，在模擬泄漏水環(huán)境開展相關(guān)點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕試驗，并與硼酸水以及標準溶液進行對比，研究材料的腐蝕行為。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料選用滿足ASME A240的S30403，焊材選用滿足AWS A5.9-2015的ER308L，具體成分如表1所示。對試驗材料進行顯微組織檢驗，母材組織為孿晶奧氏體組織，如圖1所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

1.2 試驗方法

1.2.1 點蝕浸泡試驗

點蝕分析依據(jù)GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕-點蝕評定方法》進行。將材料置于6% FeCl3溶液、硼酸溶液（2400mg/L B3+）、硼酸+NaCl（2400mg/L B3++ 1800mg/L Cl-）介質(zhì)中進行點蝕浸泡實驗，其中硼酸+NaCl為模擬泄漏水環(huán)境。用碳化硅砂紙將試樣表面研磨到1200號，焊縫保持原始表面。測量試樣尺寸、清洗后并稱重。用去離子水及分析純 6% FeCl3溶液，然后加熱至35℃，最后將試樣置于塑料支架上并在密封溶液中浸泡48h。試驗結(jié)束后，清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，采用光學(xué)顯微鏡和照相機觀察記錄試樣表面形貌，測失重并計算試樣單位時間單位面積的腐蝕速率。

1.2.2 電化學(xué)試驗

參照GB/T 17899-1999進行動電位極化曲線測試。用去離子水及分析純的硼酸和NaCl試劑配制試驗溶液，有二種：（1）含2400mg/L B3++1800mg/L Cl-的混合溶液；（2）2400mg/L B3+溶液。第一種為水池泄漏模擬溶液，第二種為水池內(nèi)部介質(zhì)溶液，試驗溫度為常溫。試樣為10×10×5mm的板狀，并且將試樣使用環(huán)氧樹脂密封，留出10×10mm的工作面。

1.2.3 晶間腐蝕試驗

試驗根據(jù) GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕：不銹鋼晶間腐蝕試驗方法—方法E—不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》進行，從焊接板取2個焊縫試樣，試樣尺寸同金相試樣。用砂輪機磨平磨光試樣正反兩面，一個試樣做敏化處理（丙酮去油干燥后，在650℃保溫2h，空冷），一個試樣不敏化，將試樣的表面逐級打磨至600號碳化硅砂紙，再用丙酮清洗。用去離子水配置硫酸-硫酸銅試驗溶液。在帶回流冷凝器的磨口錐形燒瓶底部鋪一層銅屑，然后放置試樣，加入試驗溶液，通冷卻水，加熱試驗溶液并使之保持微沸狀態(tài)，連續(xù)試驗48h。試驗后取出試樣，用無水乙醇清洗后干燥后進行金相分析，分析晶間腐蝕深度。

1.2.4 應(yīng)力腐蝕試驗

依據(jù)YB/T 5362-2006《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應(yīng)力腐蝕試驗方法》進行應(yīng)力腐蝕試驗。從焊縫部位截取片狀試樣6個，將樣品制成片狀試樣（試樣尺寸75×10×2mm），并打磨至2000號砂紙，然后彎曲至180°，使得試樣外表面形成拉應(yīng)力，然后取每組兩個試樣浸泡在沸騰氯化鎂（45%）中，每0.5h觀察一次，直至出現(xiàn)裂紋。同樣每組取兩個試樣浸泡在硼酸溶液（2400mg/kg）、硼酸+NaCl（硼酸2400mg/kg，Cl-1800mg/kg）中35℃浸泡72h，觀察是否出現(xiàn)裂紋。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 點蝕浸泡試驗結(jié)果

點蝕浸泡試驗結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，焊接試樣三氯化鐵溶液中發(fā)生明顯腐蝕，水池內(nèi)介質(zhì)（2400 mg/L B3+）和模擬泄漏環(huán)境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）未發(fā)生明顯腐蝕；三氯化鐵溶液中點蝕部位呈隨機分布，表明焊縫、熱影響區(qū)和母材的耐點蝕性能無明顯差別。表2為點蝕失重結(jié)果。從表中可以看出，304L材料在三氯化鐵介質(zhì)中發(fā)生明顯點蝕而失重較大，達1.3653g，水池內(nèi)介質(zhì)（2400 mg/L B3+）和模擬泄漏環(huán)境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）介質(zhì)中失重遠遠低于三氯化鐵介質(zhì)失重，表明304L材料在水池內(nèi)介質(zhì)和模擬泄漏環(huán)境中耐點蝕性能較好，不易發(fā)生點蝕。

圖2 點蝕浸泡試驗結(jié)果（自上而下分別為三氯化鐵、硼酸溶液、硼酸+NaCl）

2.2 電化學(xué)試驗結(jié)果

圖3為模擬泄漏環(huán)境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）中的極化曲線。從圖中可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的點蝕電位和自腐蝕電位基本一致，母材的點蝕電位和自腐蝕電位略高于焊縫和熱影響區(qū)，說明母材的耐點蝕性能略好于焊縫和熱影響區(qū)，但相差不大。

圖3 2400 mg/L B3++1800mg/L Cl的混合溶液中的極化曲線

圖4為水池內(nèi)介質(zhì)（2400mg/L B3+）中的極化曲線。從圖中可以看出，母材、焊縫和熱影響區(qū)的點蝕電位和自腐蝕電位基本一致，說明硼酸水中三者的耐點蝕能力都非常好。

圖4 2400 mg/L B3+溶液中的極化曲線

圖3和圖4相比較而言，水池內(nèi)介質(zhì)中點蝕電位為1.3～1.4V，模擬泄漏環(huán)境中點蝕電位為0.3～0.4V，兩者相差非常大。也就是說，同樣材料在模擬泄漏環(huán)境中比在水池內(nèi)介質(zhì)中更易于發(fā)生點蝕。

2.3 晶間腐蝕試驗結(jié)果

晶間腐蝕結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，敏化試樣和未敏化試樣晶界未出現(xiàn)碳化物，均未出現(xiàn)晶間腐蝕。

圖5 晶間腐蝕試驗結(jié)果

2.4 應(yīng)力腐蝕試驗結(jié)果

沸騰氯化鎂（45%）浸泡試樣在4h后出現(xiàn)裂紋，裂紋從外表面啟裂，垂直向內(nèi)表面擴展直至開裂，如圖6所示。表明304L材料在高濃度的Cl-環(huán)境下具有較強的應(yīng)力腐蝕敏感性。另外在水池內(nèi)介質(zhì)（2400mg/L B3+）和模擬泄漏環(huán)境（2400mg/L B3++1800mg/L Cl-）溶液中的浸泡72h的試樣，未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖6 應(yīng)力腐蝕試驗結(jié)果

3 結(jié)語

通過上述分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在模擬泄漏環(huán)境下，核電廠水池材料304L不銹鋼母材的耐點蝕能力略好于焊縫和熱影響區(qū)，在模擬泄漏環(huán)境中比在水池內(nèi)介質(zhì)中更易于發(fā)生點蝕；

（2）在模擬泄漏環(huán)境下，核電廠水池材料304L不銹鋼具有良好的抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力。