某核电站给水泵泵轴腐蚀原因分析及处理

招锦健 刘崇志 朱健

【摘 要】某核电站大修发现，给水泵组增压泵泵轴与机械密封轴套配合处有不同程度的腐蚀，存在设备可靠性隐患。通过理论分析和现场检查确认腐蚀现象为缝隙腐蚀，对缝隙腐蚀形成机理进行分析，并提出改进措施防止腐蚀再次发生。

【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.

【关键词】给水泵；泵轴；缝隙腐蚀

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

【中图分类号】TK223 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）11-0145-02

1 引言

在某核电站1、2号机组大修中发现，增压泵泵轴在与机械密封轴套配合处发现不同程度的腐蚀，腐蚀发生的位置沿轴向宽带分布，圆周向不连续，对应机械密封轴套O形密封圈密封处的空气侧。大修中采取外送泵轴激光熔覆和现场微弧焊对泵轴腐蚀处进行修复，修复后对泵轴进行圆滑打磨，避免回装机械密封后在轴套O 形密封圈处发生泄漏。分析该腐蚀现象的形成机理，防止类似现象再次发生。

2 设备简介

泵轴材料为UNS S42000马氏体不锈钢，化学成分为：w（C）≤0.15%、w（Si）≤0.1%、w（Mn）≤0.1%、w（P）≤0.04%、w（S）≤0.03%、12%≤w（Cr）≤14%。机械密封轴套材料为316不锈钢，机械密封动环通过轴套与轴固定，轴套通过轴套锁母與泵轴固定，机封轴套与轴为间隙配合。轴套内部设有O形密封圈，用于防止泵内介质从轴套处泄漏。O形密封圈材质为三元乙丙橡胶（EPDM），规格为130.00 mm×3.53 mm。密封圈槽为矩形槽，尺寸为深3 mm、宽5 mm。

3 故障现象及初步分析

3.1 故障现象

某核电站1号机组第7次大修中3号增压泵解体检查发现，泵轴两端安装机械密封轴套O形密封圈处空气侧表面腐蚀，1号增压泵的泵轴非驱动端安装机械密封轴套O形密封圈处空气侧表面也存在腐蚀。某核电站2号机组第6次大修中检查1、2号增压泵两端泵轴均存在不同程度的腐蚀现象。

泵轴腐蚀位置距离轴肩约36 mm，结合轴套图纸和机封安装图纸，确认腐蚀位置位于轴套O形密封圈空气侧轴套与轴配合的间隙。各个泵轴腐蚀程度轻重不一，有呈单线窄坑状，有呈带状分布（轴向宽度约4 mm），同时沿周向不连续分布，每个泵轴具体腐蚀的周向位置不同。检查泵轴腐蚀部位和轴套内部，存在大量红褐色和黑色腐蚀产物。由于腐蚀位于泵轴与轴套间隙位置，初步判断腐蚀类型为缝隙腐蚀。

3.2 腐蚀机理分析

一般认为，缝隙腐蚀发生的敏感区间在0.025～0.1 mm。相关研究表明，当13Cr不锈钢浸入质量浓度为3.5%的NaCl溶液后，阳极（不锈钢表层）主要发生Fe和Cr的溶解：

Fe-2e-→Fe2+

Cr-3e-→Cr3+

而阴极（缝隙内溶液）则发生溶解氧的还原：

O2+2H2O+4e-→4OH-

由于溶解氧向缝隙内部扩散困难，当缝内溶解氧消耗之后形成了氧浓差电池，缝内13Cr不锈钢表层成为阳极，缝外氧浓度高成为阴极。由于缝内的Fe2+和Cr3+难以扩散到缝外，为了保持缝内溶液的电中性，Cl-向缝内迁移，导致缝内Cl-聚集，形成了可溶性的金属盐（氯化物），然后水解产生不溶性的金属氢氧化物和游离H+，大量游离H+使得溶液不断酸化：

Fe2++ 2Cl-+2H2O→Fe（OH）2↓+2HCl

Cr3++ 3Cl-+3H2O→Cr（OH）3↓+3HCl

当缝内化学环境达到金属去钝化的临界条件时，缝内电极的部分表面由钝态转为活化态，发生腐蚀。同时缝内未腐蚀的金属部分作为阴极发生析氢反应，加速金属基体的腐蚀。当pH足够低且缝内电极电位下降到析氢电位时，便有氢气析出：

2H++2e-→H2

最后，Fe（OH）2在缝口处氧化为Fe（OH）3，并分解为Fe2O3堆积在缝口处：

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O

综上可知，缝隙腐蚀发生的条件概括为：①缝隙间隙在腐蚀发生的敏感宽度0.025～0.1 mm；②缝隙内处于溶液环境；③缝隙外存在大量游离负离子，特别是Cl-的存在，对钝化膜有极强的侵蚀性，对缝隙内形成酸性化学环境并加速金属的腐蚀起重要促进作用。

4 泵轴缝隙腐蚀原因分析

4.1 轴与轴套间隙条件

根据设计图纸，轴外径设计值为130.94～130.96 mm，轴套内径设计值为131.00～131.04 mm，配合处间隙宽度为0.02～0.05 mm，该间隙满足缝隙腐蚀发生的间隙条件（0.025～0.1 mm）。

4.2 缝隙内溶液环境

机械密封轴套与轴之间设置有O形密封圈，目的是防止泵送介质除氧水从轴与轴套之间外漏。发生腐蚀的缝隙处位于O形密封圈的空气侧，本应接触不到除氧水。第6次大修中检查3台增压泵两端的机械密封轴套O形密封圈状态，6个O形密封圈中有3个由于卷扭已发生塑性形变，目视检查其他3个O形密封圈状态基本成圆形。

由于安装过程O形密封圈发生卷扭，卷扭处局部位置O形密封圈被拉长而线径变小，导致压缩率变小，在泵运行过程中泵送介质可能会在这些位置渗漏至空气侧，从而使轴与轴套配合处部分间隙区间形成溶液环境。拆解2号增压泵驱动端机械密封轴套O形密封圈时，对应泵轴腐蚀位置处作标识，发现O形密封圈卷扭变形位置与泵轴腐蚀位置基本对应。

4.3 缝隙外存在游离负离子

核电站地区濒临南海， 属于南亚热带湿热型海洋环境气候类型。氯离子主要来自海水，研究表明，电厂户外氯离子浓度波动范围在0.1263～1.2319 mg/（100cm2·d）之间，年平均氯离子浓度为0.5603mg/（100cm2·d），最高浓度可达2.1977mg/（100cm2·d）。高浓度的氯离子为缝隙内腐蚀的发生提供了丰富的负离子资源，对缝隙腐蚀的发生有极强的促进作用。

大量氯离子的侵入加速了缝内溶液的酸化过程，酸化始于缝隙底部，所以缝隙腐蚀首先发生于缝隙底部。对照实验室模型，对应于给水泵机械密封轴套与泵轴间隙，间隙靠近O形密封圈一侧作为缝隙底部，该位置是溶解氧最先消耗完且外部氧气最难到达的位置，大修检查1号增压泵非驱动端端泵轴腐蚀情况，靠近O形密封圈侧已发生比较明显的呈单线窄坑状腐蚀。实验表明，当r（缝隙内外表面面积比）值较大时，腐蚀先从底部开始，逐渐扩展到四周，而缝隙中心位置仍保持光亮。对比实验室模型，泵轴暴露在空气中的伸出端为缝外自由表面，增压泵泵轴发生缝隙腐蚀的r值较大，大修检查2号增压泵非驱动端端泵轴腐蚀情况与实验室结论一致，缝隙底部先发生腐蚀缝隙，然后缝隙另一侧发生腐蚀，缝隙中间位置还可看到金属光亮。

4.4 原因综述

由于机械密封厂家设計原因，机封轴套密封圈槽靠空气侧沿轴向与泵轴配合处，轴向长约4 mm位置形成0.02～0.05 mm的间隙区间。机械密封轴套O形密封圈可能在安装过程中发生卷扭，卷扭处局部位置O形密封圈被拉长而线径变小，导致压缩率变小，在泵运行过程中泵送介质会在这些位置渗漏至空气侧，从而使轴与轴套配合处部分间隙区间形成溶液环境。由于泵送介质是除氧水，加上缝隙外氧气难以进入缝内，缝隙内外形成氧浓差电池，缝内泵轴表面金属为阳极，缝外自由表面为阴极，缝内金属不断发生溶解，缝内溶液阳离子堆积。为保持电荷平衡，缝隙外游离氯离子被吸引至缝内，缝内金属盐（氯化物）发生水解，产生不溶性的金属氢氧化物和游离H+，使缝内溶液pH下降，进一步促使缝内金属溶解。上述过程反复进行，互相促进，最终导致缝隙内发生几何形状变化，腐蚀产物堆积。

5 改进措施

根据给水增压泵泵轴缝隙腐蚀发生原因的分析，改进措施为：厂家参照压力级机械密封，对现有轴套O形密封圈进行改型，增加了密封圈线径。大修检查结果表明，压力级给水泵泵送压力更高，泵轴检查未出现腐蚀现象，证明增加O形密封圈线径后，机械密封安装过程中O形密封圈不易发生卷扭，泵组运行过程中不会产生介质渗漏，消除了缝隙腐蚀发生的条件。目前已在进行机械密封改型替代。