某核電站給水泵泵軸腐蝕原因分析及處理

招錦健 劉崇志 朱健

【摘 要】某核電站大修發(fā)現(xiàn)，給水泵組增壓泵泵軸與機(jī)械密封軸套配合處有不同程度的腐蝕，存在設(shè)備可靠性隱患。通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)腐蝕現(xiàn)象為縫隙腐蝕，對(duì)縫隙腐蝕形成機(jī)理進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施防止腐蝕再次發(fā)生。

【Abstract】In the overhaul of a nuclear power plant， it is found that there is varying degrees of corrosion in the joint of the booster pump shaft and mechanical seal sleeve of the feed water pump unit， and there is hidden danger of equipment reliability. Through theoretical analysis and on-site inspection， the corrosion phenomenon is confirmed as crevice corrosion. The formation mechanism of crevice corrosion is analyzed， and the improvement measures are put forward to prevent the corrosion from happening again.

【關(guān)鍵詞】給水泵；泵軸；縫隙腐蝕

【Keywords】 feed water pump； pump shaft； crevice corrosion

【中圖分類(lèi)號(hào)】TK223 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）11-0145-02

1 引言

在某核電站1、2號(hào)機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)，增壓泵泵軸在與機(jī)械密封軸套配合處發(fā)現(xiàn)不同程度的腐蝕，腐蝕發(fā)生的位置沿軸向?qū)拵Х植迹瑘A周向不連續(xù)，對(duì)應(yīng)機(jī)械密封軸套O形密封圈密封處的空氣側(cè)。大修中采取外送泵軸激光熔覆和現(xiàn)場(chǎng)微弧焊對(duì)泵軸腐蝕處進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后對(duì)泵軸進(jìn)行圓滑打磨，避免回裝機(jī)械密封后在軸套O 形密封圈處發(fā)生泄漏。分析該腐蝕現(xiàn)象的形成機(jī)理，防止類(lèi)似現(xiàn)象再次發(fā)生。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

泵軸材料為UNS S42000馬氏體不銹鋼，化學(xué)成分為：w（C）≤0.15%、w（Si）≤0.1%、w（Mn）≤0.1%、w（P）≤0.04%、w（S）≤0.03%、12%≤w（Cr）≤14%。機(jī)械密封軸套材料為316不銹鋼，機(jī)械密封動(dòng)環(huán)通過(guò)軸套與軸固定，軸套通過(guò)軸套鎖母與泵軸固定，機(jī)封軸套與軸為間隙配合。軸套內(nèi)部設(shè)有O形密封圈，用于防止泵內(nèi)介質(zhì)從軸套處泄漏。O形密封圈材質(zhì)為三元乙丙橡膠（EPDM），規(guī)格為130.00 mm×3.53 mm。密封圈槽為矩形槽，尺寸為深3 mm、寬5 mm。

3 故障現(xiàn)象及初步分析

3.1 故障現(xiàn)象

某核電站1號(hào)機(jī)組第7次大修中3號(hào)增壓泵解體檢查發(fā)現(xiàn)，泵軸兩端安裝機(jī)械密封軸套O形密封圈處空氣側(cè)表面腐蝕，1號(hào)增壓泵的泵軸非驅(qū)動(dòng)端安裝機(jī)械密封軸套O形密封圈處空氣側(cè)表面也存在腐蝕。某核電站2號(hào)機(jī)組第6次大修中檢查1、2號(hào)增壓泵兩端泵軸均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。

泵軸腐蝕位置距離軸肩約36 mm，結(jié)合軸套圖紙和機(jī)封安裝圖紙，確認(rèn)腐蝕位置位于軸套O形密封圈空氣側(cè)軸套與軸配合的間隙。各個(gè)泵軸腐蝕程度輕重不一，有呈單線窄坑狀，有呈帶狀分布（軸向?qū)挾燃s4 mm），同時(shí)沿周向不連續(xù)分布，每個(gè)泵軸具體腐蝕的周向位置不同。檢查泵軸腐蝕部位和軸套內(nèi)部，存在大量紅褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物。由于腐蝕位于泵軸與軸套間隙位置，初步判斷腐蝕類(lèi)型為縫隙腐蝕。

3.2 腐蝕機(jī)理分析

一般認(rèn)為，縫隙腐蝕發(fā)生的敏感區(qū)間在0.025～0.1 mm。相關(guān)研究表明，當(dāng)13Cr不銹鋼浸入質(zhì)量濃度為3.5%的NaCl溶液后，陽(yáng)極（不銹鋼表層）主要發(fā)生Fe和Cr的溶解：

Fe-2e-→Fe2+

Cr-3e-→Cr3+

而陰極（縫隙內(nèi)溶液）則發(fā)生溶解氧的還原：

O2+2H2O+4e-→4OH-

由于溶解氧向縫隙內(nèi)部擴(kuò)散困難，當(dāng)縫內(nèi)溶解氧消耗之后形成了氧濃差電池，縫內(nèi)13Cr不銹鋼表層成為陽(yáng)極，縫外氧濃度高成為陰極。由于縫內(nèi)的Fe2+和Cr3+難以擴(kuò)散到縫外，為了保持縫內(nèi)溶液的電中性，Cl-向縫內(nèi)遷移，導(dǎo)致縫內(nèi)Cl-聚集，形成了可溶性的金屬鹽（氯化物），然后水解產(chǎn)生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，大量游離H+使得溶液不斷酸化：

Fe2++ 2Cl-+2H2O→Fe（OH）2↓+2HCl

Cr3++ 3Cl-+3H2O→Cr（OH）3↓+3HCl

當(dāng)縫內(nèi)化學(xué)環(huán)境達(dá)到金屬去鈍化的臨界條件時(shí)，縫內(nèi)電極的部分表面由鈍態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài)，發(fā)生腐蝕。同時(shí)縫內(nèi)未腐蝕的金屬部分作為陰極發(fā)生析氫反應(yīng)，加速金屬基體的腐蝕。當(dāng)pH足夠低且縫內(nèi)電極電位下降到析氫電位時(shí)，便有氫氣析出：

2H++2e-→H2

最后，F(xiàn)e（OH）2在縫口處氧化為Fe（OH）3，并分解為Fe2O3堆積在縫口處：

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O

綜上可知，縫隙腐蝕發(fā)生的條件概括為：①縫隙間隙在腐蝕發(fā)生的敏感寬度0.025～0.1 mm；②縫隙內(nèi)處于溶液環(huán)境；③縫隙外存在大量游離負(fù)離子，特別是Cl-的存在，對(duì)鈍化膜有極強(qiáng)的侵蝕性，對(duì)縫隙內(nèi)形成酸性化學(xué)環(huán)境并加速金屬的腐蝕起重要促進(jìn)作用。

4 泵軸縫隙腐蝕原因分析

4.1 軸與軸套間隙條件

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，軸外徑設(shè)計(jì)值為130.94～130.96 mm，軸套內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為131.00～131.04 mm，配合處間隙寬度為0.02～0.05 mm，該間隙滿足縫隙腐蝕發(fā)生的間隙條件（0.025～0.1 mm）。

4.2 縫隙內(nèi)溶液環(huán)境

機(jī)械密封軸套與軸之間設(shè)置有O形密封圈，目的是防止泵送介質(zhì)除氧水從軸與軸套之間外漏。發(fā)生腐蝕的縫隙處位于O形密封圈的空氣側(cè)，本應(yīng)接觸不到除氧水。第6次大修中檢查3臺(tái)增壓泵兩端的機(jī)械密封軸套O形密封圈狀態(tài)，6個(gè)O形密封圈中有3個(gè)由于卷扭已發(fā)生塑性形變，目視檢查其他3個(gè)O形密封圈狀態(tài)基本成圓形。

由于安裝過(guò)程O(píng)形密封圈發(fā)生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長(zhǎng)而線徑變小，導(dǎo)致壓縮率變小，在泵運(yùn)行過(guò)程中泵送介質(zhì)可能會(huì)在這些位置滲漏至空氣側(cè)，從而使軸與軸套配合處部分間隙區(qū)間形成溶液環(huán)境。拆解2號(hào)增壓泵驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封軸套O形密封圈時(shí)，對(duì)應(yīng)泵軸腐蝕位置處作標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)O形密封圈卷扭變形位置與泵軸腐蝕位置基本對(duì)應(yīng)。

4.3 縫隙外存在游離負(fù)離子

核電站地區(qū)瀕臨南海， 屬于南亞熱帶濕熱型海洋環(huán)境氣候類(lèi)型。氯離子主要來(lái)自海水，研究表明，電廠戶外氯離子濃度波動(dòng)范圍在0.1263～1.2319 mg/（100cm2·d）之間，年平均氯離子濃度為0.5603mg/（100cm2·d），最高濃度可達(dá)2.1977mg/（100cm2·d）。高濃度的氯離子為縫隙內(nèi)腐蝕的發(fā)生提供了豐富的負(fù)離子資源，對(duì)縫隙腐蝕的發(fā)生有極強(qiáng)的促進(jìn)作用。

大量氯離子的侵入加速了縫內(nèi)溶液的酸化過(guò)程，酸化始于縫隙底部，所以縫隙腐蝕首先發(fā)生于縫隙底部。對(duì)照實(shí)驗(yàn)室模型，對(duì)應(yīng)于給水泵機(jī)械密封軸套與泵軸間隙，間隙靠近O形密封圈一側(cè)作為縫隙底部，該位置是溶解氧最先消耗完且外部氧氣最難到達(dá)的位置，大修檢查1號(hào)增壓泵非驅(qū)動(dòng)端端泵軸腐蝕情況，靠近O形密封圈側(cè)已發(fā)生比較明顯的呈單線窄坑狀腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)r（縫隙內(nèi)外表面面積比）值較大時(shí)，腐蝕先從底部開(kāi)始，逐漸擴(kuò)展到四周，而縫隙中心位置仍保持光亮。對(duì)比實(shí)驗(yàn)室模型，泵軸暴露在空氣中的伸出端為縫外自由表面，增壓泵泵軸發(fā)生縫隙腐蝕的r值較大，大修檢查2號(hào)增壓泵非驅(qū)動(dòng)端端泵軸腐蝕情況與實(shí)驗(yàn)室結(jié)論一致，縫隙底部先發(fā)生腐蝕縫隙，然后縫隙另一側(cè)發(fā)生腐蝕，縫隙中間位置還可看到金屬光亮。

4.4 原因綜述

由于機(jī)械密封廠家設(shè)計(jì)原因，機(jī)封軸套密封圈槽靠空氣側(cè)沿軸向與泵軸配合處，軸向長(zhǎng)約4 mm位置形成0.02～0.05 mm的間隙區(qū)間。機(jī)械密封軸套O形密封圈可能在安裝過(guò)程中發(fā)生卷扭，卷扭處局部位置O形密封圈被拉長(zhǎng)而線徑變小，導(dǎo)致壓縮率變小，在泵運(yùn)行過(guò)程中泵送介質(zhì)會(huì)在這些位置滲漏至空氣側(cè)，從而使軸與軸套配合處部分間隙區(qū)間形成溶液環(huán)境。由于泵送介質(zhì)是除氧水，加上縫隙外氧氣難以進(jìn)入縫內(nèi)，縫隙內(nèi)外形成氧濃差電池，縫內(nèi)泵軸表面金屬為陽(yáng)極，縫外自由表面為陰極，縫內(nèi)金屬不斷發(fā)生溶解，縫內(nèi)溶液陽(yáng)離子堆積。為保持電荷平衡，縫隙外游離氯離子被吸引至縫內(nèi)，縫內(nèi)金屬鹽（氯化物）發(fā)生水解，產(chǎn)生不溶性的金屬氫氧化物和游離H+，使縫內(nèi)溶液pH下降，進(jìn)一步促使縫內(nèi)金屬溶解。上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，互相促進(jìn)，最終導(dǎo)致縫隙內(nèi)發(fā)生幾何形狀變化，腐蝕產(chǎn)物堆積。

5 改進(jìn)措施

根據(jù)給水增壓泵泵軸縫隙腐蝕發(fā)生原因的分析，改進(jìn)措施為：廠家參照壓力級(jí)機(jī)械密封，對(duì)現(xiàn)有軸套O形密封圈進(jìn)行改型，增加了密封圈線徑。大修檢查結(jié)果表明，壓力級(jí)給水泵泵送壓力更高，泵軸檢查未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，證明增加O形密封圈線徑后，機(jī)械密封安裝過(guò)程中O形密封圈不易發(fā)生卷扭，泵組運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)滲漏，消除了縫隙腐蝕發(fā)生的條件。目前已在進(jìn)行機(jī)械密封改型替代。