某核電站安全廠用水系統(tǒng)奧氏體不銹鋼儀表管泄漏原因

李鴻遠, 張彥召, 張舟永, 劉洪群, 潘姚凡

(1.中廣核蒼南核電有限公司, 溫州 325000；2.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

濱海核電站將海水作為核島和常規(guī)島的最終冷源，將各種設(shè)備和構(gòu)筑物產(chǎn)生的熱量帶入大海。海水冷卻系統(tǒng)進行了較為嚴格的防腐蝕設(shè)計，如采用耐海水腐蝕等級高的材料[1-2]，通過內(nèi)壁涂層或襯里隔離海水[3]，以及采用犧牲陽極保護法[4]或外加陰極保護電流[5]保護金屬不被腐蝕。核島安全廠用水(SEC)系統(tǒng)的主要功能是將設(shè)備冷卻系統(tǒng)(RRI)傳輸?shù)臒崃總鞯胶Ｋ小EC系統(tǒng)作為一種重要的安全系統(tǒng)，在正常運行和事故工況條件下，該系統(tǒng)都能將與安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備傳來的熱量輸送到最終熱阱[6-7]。

某核電站SEC系統(tǒng)管道內(nèi)部為海水，外部為濱海鹽霧環(huán)境,主管道材料為碳鋼，通過表面涂層和外加陰極保護電流進行防護。主管道上的儀表管采用法國RCC-M M3304-2007DesignandConstructionRulesforMechanicalComponentsofPWRNuclearIslands標準中的Z2CND1712鋼，對應(yīng)中國標準中的022Cr17Ni12Mo2鋼，即316L不銹鋼。儀表管和主管道之間通過管座法蘭連接，儀表管和法蘭管座通過焊接連接，焊接方法為氬弧焊，該系統(tǒng)管道在已運行的6 a中發(fā)生多次儀表管穿孔導(dǎo)致的泄漏事件。泄漏位置在儀表管和法蘭管之間的焊縫處，如圖1所示。

圖1 SEC系統(tǒng)儀表管的泄漏位置示意

為查明該儀表管泄漏的原因，筆者對泄漏管段進行了一系列檢驗與分析，并提出相應(yīng)的改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該泄漏儀表管壁厚約為2.5 mm，管徑為14.5 mm。由圖2可見：該儀表管泄漏位置靠近焊縫，其周圍有多個貫穿性凹坑，儀表管內(nèi)壁附著有紅褐色腐蝕物，靠近焊縫區(qū)域顏色較深。

圖2 泄漏儀表管內(nèi)、外壁的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對該泄漏儀表管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可知儀表管的化學(xué)成分均符合RCC-M M3304-2007標準對Z2CND1712鋼的技術(shù)要求。

表1 泄漏儀表管的化學(xué)成分

1.3 硬度測試

對該泄漏儀表管進行硬度測試，結(jié)果如表2所示，可知儀表管母材及焊縫處的硬度均勻，未見異常。

表2 泄漏儀表管的硬度

1.4 金相檢驗

對該儀表管泄漏位置的顯微組織進行觀察。由圖3可見：儀表管母材組織為孿晶奧氏體，晶粒度為5～6級；焊縫組織為鑄態(tài)枝晶，組織正常，焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)未熔合、氣孔等焊接缺陷。在該儀表管泄漏位置截面截取試樣進行顯微組織形貌觀察。如圖4所示，泄漏位置離焊縫較近，處于熱影響區(qū)，儀表管內(nèi)、外壁泄漏位置附近均分布有凹坑，管道內(nèi)壁的凹坑數(shù)量較多。

圖3 儀表管泄漏位置不同區(qū)域的顯微組織

圖4 儀表管內(nèi)、外壁泄漏位置附近貫穿孔的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對該儀表管內(nèi)壁的凹坑進行微觀形貌觀察。如圖5所示，該儀表管內(nèi)壁凹坑向內(nèi)擴展，凹坑底部可見明顯的晶粒特征，為典型的點蝕坑特征形貌。

圖5 泄漏儀表管內(nèi)壁凹坑的SEM形貌

2 分析與討論

點蝕是服役于海水環(huán)境中的奧氏體不銹鋼最常發(fā)生的局部腐蝕類型之一。受縫隙腐蝕、污垢以及微生物[8-9]等影響，Z2CND1712奧氏體不銹鋼表面鈍化層會被Cl-破壞而發(fā)生點蝕。同時，焊接過程會嚴重影響該材料的耐點蝕性能。常規(guī)的奧氏體不銹鋼焊接接頭不同區(qū)域的點蝕敏感性從大到小依次為熱影響區(qū)、母材、焊縫。熱影響區(qū)點蝕敏感性最大的原因是在焊接過程中其表面形成了不具備保護功能的貧鉻氧化層[10]，常被稱為“回火色”區(qū)域，回火色顏色越深，發(fā)生點蝕的可能性越大。在現(xiàn)場焊接過程中，很難避免該類材料表面產(chǎn)生一定程度的回火色，通常采用打磨和酸洗鈍化的方式進行去除。

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該批次SEC系統(tǒng)儀表管采用氬弧焊進行焊接，外壁由氬氣保護，內(nèi)壁沒有實施保護氣氛。在焊接過程中，儀表管接頭內(nèi)壁的熱影響區(qū)形成了嚴重的回火色，且沒有進行打磨或酸洗鈍化。儀表管的泄漏位置位于焊縫熱影響區(qū)，內(nèi)、外壁泄漏位置附近均有大量不同深度的點蝕坑，其中內(nèi)壁點蝕較為嚴重，內(nèi)壁點蝕坑在系統(tǒng)運行過程中不斷擴展，最終貫穿整個管壁，導(dǎo)致儀表管泄漏。

實際生產(chǎn)中，為了避免不銹鋼管道發(fā)生點蝕，可進行以下改善措施：

(1) 焊接時控制焊接工藝參數(shù)，減輕熱影響區(qū)的回火色，如減小焊接電流，增加焊接速率，在管道內(nèi)實施保護氣氛，焊后進行表面酸洗鈍化處理；

(2) 加強管道點蝕敏感區(qū)域的檢查，及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)泄漏區(qū)域；

(3) 重要區(qū)域的儀表管采用耐點蝕性能更高的材料，如超級奧氏體不銹鋼S31254。

3 結(jié)論及建議

(1) 核電站SEC系統(tǒng)儀表管泄漏的主要原因是管道內(nèi)壁焊接熱影響區(qū)形成嚴重的回火色，即貧鉻氧化層，在海水中氯離子的作用下，內(nèi)部形成點蝕坑，點蝕坑不斷擴展，最終貫穿整個管壁，導(dǎo)致儀表管泄漏。

(2) 建議通過優(yōu)化焊接工藝來緩解不銹鋼焊縫處的點蝕敏感性，加強監(jiān)督，及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)泄漏區(qū)域，重點區(qū)域管道采用更耐海水點蝕的材料。