核电厂海水阀门螺栓腐蚀原因分析及解决措施

2021-09-24李智强吴昉赟刘洪群

全面腐蚀控制 2021年8期

方旭李智强张晓周澄吴昉赟刘洪群

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

核电厂海水冷却水系统为发电机空气冷却器提供冷却水，及时带走发电机产生的热量，保证发电机正常运行。一旦海水冷却水系统发生故障，将影响发电机空气冷却器的正常运行，进而影响发电机的正常运行，严重时可导致核电厂停机事件的发生。

国内某核电厂在大修时发现海水冷却水系统多个阀门的阀瓣固定螺栓发生严重腐蚀，影响阀门的正常工作，如图1所示。该阀门为海水过滤器出口阀，阀瓣和螺栓均为不锈钢材料，其中阀瓣材料为316L（022Cr17Ni12Mo2）不锈钢，螺栓材料431（14Cr17Ni2）不锈钢。

图1 阀门螺栓腐蚀形貌

本文就阀门螺栓腐蚀原因进行了分析，并提出了改进建议。

1 阀门螺栓腐蚀原因分析

1.1 成分分析

使用便携式合金分析仪对阀门阀瓣和螺栓进行材料成分分析，具体成分如表1所示。从表中可以看出，阀瓣和螺栓的主要合金成分满足标准要求，其中阀瓣的Ni和Cr以及螺栓的Cr含量均略高于标准下限。

表1 阀瓣和螺栓化学成分

1.2 介质分析

阀门所处介质为海水，水质情况如表2所示。从表中可以看出，介质中含有大量的Cl-、Na+，同时还含有Mg2+、K+、Ca2+、SO32-、HCO3-等离子，其中Cl-会破坏不锈钢材料表面的钝化膜，从而引起不锈钢发生腐蚀[1]。

表2 阀门介质水质

1.3 腐蚀原因分析

1.3.1 耐点蚀性能分析

不锈钢在海水环境下服役易于发生点蚀现象。不锈钢的耐点蚀性能与不锈钢的化学成分密切相关，经过不锈钢腐蚀研究工作者的长期工作，已经建立耐点蚀性能和化学成分的关系式，称为耐点蚀当量（PRE，Pitting Resistance Equivalent）[2]，其中最常用的公式为：

式中，化学元素Cr%，Mo%，N%表示其百分含量。

根据上式对阀瓣和螺栓进行计算，如表3所示，阀瓣的耐点蚀当量为23.56，螺栓的耐点蚀当量为16.21，由于添加了Mo，使得阀瓣的耐点蚀当量明显高于螺栓的耐点蚀当量，在相同的环境下，螺栓更容易发生点蚀而发生破坏。

表3 阀瓣和螺栓点蚀当量计算

1.3.2 电偶腐蚀分析

当两种金属材料在海水中相互接触时，即组成一对腐蚀电池，因各自的自腐蚀电位不同，使得自腐蚀电位较高的金属成为阴极，自腐蚀电位较低的金属成为阳极，形成电偶腐蚀，如图2所示。自腐蚀电位较高的金属受到保护，自腐蚀电位较低的金属加速腐蚀，尤其对于大阴极小阳极的结构，自腐蚀电位较低的金属将大大提高腐蚀速度。

图2 电偶腐蚀示意图

正常运行时，阀门阀瓣和螺栓均浸没于海水中。阀瓣和螺栓通过金属垫片进行连接，具有良好的电连接性。阀瓣材料为奥氏体不锈钢316L（022Cr17Ni12Mo2），具有较高的自腐蚀电位，实验室环境下海水中的自腐蚀电位一般为-0.15～-0.16V[3]，实海中自腐蚀电位可高达0.32V[4]；螺栓的材料为马氏体不锈钢431（14Cr17Ni2），在实验室海水环境中的自腐蚀电位为-0.34V[5]。阀瓣的自腐蚀电位高于螺栓的自腐蚀电位，两者的电位差为0.18～0.19V，具有较为明显的电位差，形成电偶腐蚀，阀瓣会受到保护，螺栓会加速腐蚀。而且，阀瓣的接触面积远大于螺栓的接触面积，如图3所示，具备典型的大阴极小阳极结构，螺栓的腐蚀速率会进一步加快，最终导致螺栓发生腐蚀失效。