核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术

王林海

（中国核动力院深圳科技开发分公司,沈阳 110063）

核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术

王林海

（中国核动力院深圳科技开发分公司,沈阳 110063）

近年来，伴随着我国经济实力的不断增强，科学技术水平及装备制造能力也不断提升，核电作为清洁能源越来越广泛的被应用到国民生产生活中。随着国家核电项目建设的增多，如何做好核电安全运行成为重要问题。本文对腐蚀现象进行简单介绍，并对应力腐蚀发生的原因和防应力腐蚀裂纹技术等解决办法进行了探讨。

核电汽轮机；腐蚀作用；防应力腐蚀裂纹技术

0 前言

随着我国经济发展的步伐不断加快，据统计显示，在过去的十几年内，基本上用电量增长了几十倍之多。目前，我国生产电力最好的方法就是使用核反应，建立核电站。但是核电汽轮机的工作蒸汽压力较低，湿度较大，易使汽轮机本体受到腐蚀作用，若腐蚀时间长难免使设备本体产生裂缝，影响发电机发电功率、汽轮发电机运行安全、汽轮机使用寿命、甚至会影响核反应堆的安全运行。因此，研究防腐蚀技术十分重要。

1 汽轮机应力腐蚀概念及危害

金属材料在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下，发生的腐蚀现象称为应力腐蚀。

通常机械设备金属材料经过特殊处理后都会在其表面形成一层钝化膜（酸洗钝化等办法形成氧化膜），在表面钝化膜完好时金属设备一般不易被腐蚀。但在应力作用下，设备形变使其本身金属表面局部区域的钝化膜被撕破，露出其内部未被特殊处理过的活性金属，在设备内流通介质长期作用下出现腐蚀，且其发展是逐渐加剧的。应力腐蚀与单纯的应力破坏不同，再低的应力若能金属材质表面钝化膜遭到破坏，长期作用下也会设备材质发生破坏；与单纯由于腐蚀引起破坏也不同，腐蚀性很弱的介质，若在应力作用下也能产生严重的腐蚀破坏。应力与腐蚀二者相互促进，它们往往使设备金属材质在没有变形预兆的情况下迅速断裂。在工厂中，锅炉、管道、汽轮机叶片、凝汽器铜管，均有发生应力腐蚀的可能性，很容易造成严重的事故。

2 汽轮机发生应力腐蚀原因分析

（1）应力是应力腐蚀的必要条件。设备的结构设计、设备的加工精度、装配尺寸间隙、装配工艺，都会导致汽轮机在安装、运行过程中在局部存在外加、残余应力。

（2）设备材质的屈服强度、抗腐蚀能力，设备加工的工艺过程控制。对于重要且工作环境特殊的设备材质选材不合适。选用屈服强度较低、应力腐蚀门槛值较低的材料。在材料使用前没有进行应力退火减少残余应力，在设备焊接制作时没有消除焊接应力。

（3）工作环境因素，包括介质、氧化剂、温度，金属因素等。汽轮机叶片应力腐蚀发生断裂的风险，对汽轮机组的安全运行产生严重威胁。氯腐蚀就是其中的一个重要因素，在过热蒸汽至湿蒸汽的过渡区水滴中的氯化物盐类（NaCl、MgCl2）浓度最高，而常用的含铬量在13％的不锈钢对氯化物盐类的腐蚀相当敏感，发生腐蚀时一般会使叶片的疲劳极限下降50％左右，实验表明在腐蚀坑口氯离子的含量是未腐蚀处的30倍，是刀痕、划痕等硬伤处的6倍，其主要原因是发生电化学腐蚀的缘故，由于腐蚀坑较小，坑底能充当腐蚀电流的阳极。坑周围面积较大充当阴极，在坑内铁、铬不断失去电子，电子经金属基本向阴极迁移发生还原反应，在电场的作用下，铁铬离子不断向坑外运动，OH-、Cl-等负离子从溶液中向坑内运行，在坑口相遇发生二次腐蚀反应，进一步加速腐蚀，所以在坑口造成氯离子的富集。从某机组大修叶片的表面检查情况来看，压力级前六级出现了不同深度的小麻坑，从腐蚀坑的形状分析，该坑首先是在投运前吹管时，管道中未吹净的焊渣，氧化皮与高速旋转的汽轮机叶片相撞造成的，这样首先破坏了叶片表面的强化层，为以后的氯腐蚀创造了条件[1]。

3 汽轮机应力腐蚀的防止方法分析

综合汽轮机发生应力腐蚀的三点主要原因，应从三个方向研究降低消除汽轮机应力腐蚀的方法。

（1）从设备结构设计阶段开始，到设备装备结束，优化每一个环节，降低设备制造、装配尺寸误差。消除由于设备外形结构、制作误差，装配工艺不当给设备各部件之间带来的应力。

（2）从设备材质选材铸造、焊接制作过程中，优化每一个环节，提高核电汽轮机汽缸、叶轮、叶片的材质选用标准，在合理范畴选用屈服强度相对较低的金属材质，提高应力腐蚀门槛。对于重要焊接部位，选用合理高标准的焊接工艺，消除焊接应力。

（3）加强汽轮机及辅助系统运行参数监控，按时按要求对锅炉给水、汽轮机凝结水、凝结水精处理等各环节做好化学取样监测，降低进汽轮机腐蚀离子含量。

在机组安装完工后，要对各介质管道按国标要求进行吹扫、冲洗，严格按照工程验收标准评价[2]。

4 防应力腐蚀裂纹技术国内外设计分析

国内核电技术部分基于法国Alstom公司技术，Alstom 公司在核电设备设计、制造、安装及运行中都有着丰富成熟的经验。在控制避免汽轮机发生应力腐蚀方面，它们的设计思路和方法是使用焊接转子和控制汽轮机各部件间工作应力。由于焊接转子的切向应力较低，因此可以选用材料的屈服强度较普通汽轮机转子所选用材料的低，从而可以提高导致应力腐蚀裂纹产生的工作应力门槛值。同时对叶根、叶轮与轴毂等应力集中区域进行三维有限元分析，可以精准地评估这些部位的应力峰值，确保其所受应力始终低于产生应力腐蚀裂纹工作应力门槛值。通过这种设计理念的新方法已经成功改造了比利时Doel3、Tihange2和法国Gravelines6、Tricastin3机组，除此之外这些新设计也用于改造美国市场上 PWR 堆型的其他非Alstom 产品机组 ,成功的实例有 Callaway、Diablo Canyo n、rt Calhoun 核电站。

5 结语

作为核电站关键设备的大型汽轮机，结合国内外多年核电汽轮机运行检修情况来看，汽轮机低压转子部位比较容易产生应力腐蚀裂纹。而根据众多理论研究表明，应力腐蚀裂纹的产生和扩散主要受其工作环境、设备各部件工作应力、设备材料的屈服强度因素控制。因此目前汽轮机防应力腐蚀设计上主要采取的措施有：转子材料选取上尽量使用低屈服极限、韧性较好的钢种，局部应力过高时可使用特殊焊接材料堆焊替代的方案；通过采用材料特殊热处理等多种应力释放手段降低转子部件的工作应力，或使用焊接转子技术降低叶轮根部的工作应力等降低工作应力的手段；控制工作环境因素，如蒸汽品质等；上述这些设计预防措施已经在我国CPR1000等核电汽轮机的设计中得到广泛的应用，在近年的、运行检修中也反馈到了良好的实际效果。

[1]毛菊英.核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术的应用探讨[J].科技创新导报,2012（03）.

[2]郑裕衫.我国核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术的发展和趋向[J].科技促进发展，2010（04）.

王林海（1987—），男,工程师，主要从事：核电设备管理工作。