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        壓水堆一回路系統(tǒng)600合金部位應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)分析

        2017-11-28 21:13:20張江濤高軒
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年28期
        關(guān)鍵詞:壓水堆穩(wěn)壓器敏感性

        張江濤++高軒

        摘 要:本文介紹了因科鎳600合金在壓水堆核電廠一回路水環(huán)境下發(fā)生一回路水應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(PWSCC)的機(jī)理和影響因素,并從因科鎳600合金失效案例、各部位對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性,以及表面加工工藝的影響等方面進(jìn)行分析,對(duì)國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組一回路600合金部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià),認(rèn)為穩(wěn)壓器接管安全端異種鋼焊縫及電加熱器貫穿件部位風(fēng)險(xiǎn)最高,一回路熱段相關(guān)部位風(fēng)險(xiǎn)次之,需要進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)督管理,以確保機(jī)組安全運(yùn)行。

        關(guān)鍵詞:壓水堆 600合金 一回路水應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 風(fēng)險(xiǎn)分析

        中圖分類號(hào):TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)10(a)-0120-02

        早期壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)的許多部位使用了因科鎳600合金及相關(guān)焊接材料。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),很多部位出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象[1]。大量研究表明,600合金材料在壓水堆一回路水或蒸汽環(huán)境下對(duì)一回路水應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(PWSCC)敏感。

        國(guó)內(nèi)某壓水堆核電機(jī)組一回路壓力邊界的一些部位使用了600合金材料。鑒于600合金對(duì)PWSCC的敏感性,需要對(duì)這些部位進(jìn)行深入分析和評(píng)價(jià),并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

        應(yīng)力腐蝕是金屬材料在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下所引起的脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂必須具備3個(gè)條件才能產(chǎn)生,即敏感性材料、拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境。

        1.1 敏感性材料

        退火溫度和鉻含量是影響鎳基合金對(duì)PWSCC敏感性的兩個(gè)重要因素。高溫退火有利于使碳化物在晶界大量析出,碳化物可以阻礙和消耗晶界中的氧,防止鉻的局部氧化,同時(shí)碳化物起到位錯(cuò)源的作用,導(dǎo)致塑性應(yīng)變,從而引起裂尖鈍化,降低合金對(duì)PWSCC的敏感性。

        鎳基合金對(duì)PWSCC的敏感性存在一個(gè)門(mén)檻值。當(dāng)鉻含量超過(guò)門(mén)檻值時(shí),材料就能有效防止PWSCC的發(fā)生。鎳基合金在一回路水環(huán)境中會(huì)反應(yīng)消耗11%~12%的鉻,而合金內(nèi)部氧化的門(mén)檻值約為10%的鉻,再加上一定的安全裕量,鉻含量24%以上就對(duì)PWSCC不敏感[2]。

        1.2 拉應(yīng)力

        持續(xù)較高的拉應(yīng)力是PWSCC發(fā)生的必要條件。產(chǎn)生拉應(yīng)力的原因,一個(gè)是由壓力、溫度和其他機(jī)械應(yīng)力而引起的運(yùn)行應(yīng)力,一個(gè)是焊接殘余應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中已對(duì)運(yùn)行應(yīng)力進(jìn)行了分析和計(jì)算,而較高的拉應(yīng)力往往是由于制造過(guò)程中焊接后冷卻收縮而引起的。焊接殘余應(yīng)力是PWSCC萌生和擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

        1.3 腐蝕環(huán)境

        一回路系統(tǒng)的水化學(xué)和溫度是影響PWSCC的重要因素。運(yùn)行溫度較高的部位會(huì)比運(yùn)行溫度較低的部位更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。冷卻劑中氫和鋰的濃度會(huì)影響裂紋萌生和擴(kuò)展,需要嚴(yán)格控制水質(zhì)。加鋅可以延長(zhǎng)啟裂時(shí)間,降低裂紋擴(kuò)展速率,在一些核電廠中已有應(yīng)用。

        2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)分析

        2.1 失效案例分析

        對(duì)國(guó)際上發(fā)生PWSCC的案例進(jìn)行了調(diào)研,分析表明,大部分PWSCC失效事件發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行20年以后,發(fā)生部位為蒸發(fā)器傳熱管及一回路貫穿件或接管異種鋼焊縫。國(guó)內(nèi)某機(jī)組已運(yùn)行20多年。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,600合金部位發(fā)生PWSCC的風(fēng)險(xiǎn)逐漸升高,應(yīng)予以特別關(guān)注。

        2.2 敏感性分析

        一般來(lái)講,對(duì)PWSCC同樣敏感的材料,在相同拉應(yīng)力的作用下,裂紋萌生的時(shí)間是運(yùn)行溫度的函數(shù),可用下式表示:

        式中,EDY為等效降質(zhì)時(shí)間,年;

        ΔEFPYj為在溫度Tj下的運(yùn)行時(shí)間,年;

        Qi為裂紋萌生的熱活化能,50kcal/mol;

        R為氣體常數(shù),1.103×10-3kcal/mol.°R;

        Tj為物體在j時(shí)段的運(yùn)行溫度;

        (°R=°F+459.67=(1.8×℃+32)+459.67=1.8×℃+491.67)

        Tref為參考溫度,600°F=1059.67°R=315.6℃

        工業(yè)界常用上式來(lái)評(píng)價(jià)鎳基合金對(duì)PWSCC的敏感性。EDY≥12說(shuō)明材料對(duì)PWSCC的敏感性高,EDY介于8~12之間說(shuō)明材料對(duì)PWSCC敏感性為中等,DEY<8說(shuō)明材料對(duì)PWSCC敏感性低。

        根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù),計(jì)算得到各部位的EDY值。結(jié)果

        表明,與穩(wěn)壓器相連的600合金部位對(duì)PWSCC的敏感性高,一回路熱段部位的敏感性中等,而其他部位的敏感性較低。

        2.3 表面處理工藝對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

        在現(xiàn)場(chǎng)焊接完成后需要進(jìn)行打磨或機(jī)加工處理,使焊縫金屬的表面粗糙程度滿足無(wú)損檢測(cè)的要求。打磨或機(jī)加工以及作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的高溫環(huán)境會(huì)使焊縫表面的狀態(tài)發(fā)生改變,如表面變硬、殘余應(yīng)力增大等,這些狀態(tài)發(fā)生了改變的表層稱為冷加工層。打磨可分為粗磨和細(xì)磨,兩者導(dǎo)致的冷加工層也存在顯著差別。粗磨導(dǎo)致的冷加工層會(huì)增加部件PWSCC的傾向,而細(xì)磨則會(huì)抑制PWSCC的傾向。

        根據(jù)部件的制造記錄,穩(wěn)壓器噴霧管、泄壓管和安全管接管異種鋼焊縫在役前進(jìn)行過(guò)返修,對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行了補(bǔ)焊和打磨,增加了焊縫表面的拉應(yīng)力,進(jìn)而增加PWSCC發(fā)生的可能性。

        2.4 風(fēng)險(xiǎn)分析

        綜合考慮以上因素,對(duì)機(jī)組600合金部位發(fā)生PWSCC的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果如下:

        穩(wěn)壓器接管安全端異種鋼焊縫及底部貫穿件部位發(fā)生PWSCC的風(fēng)險(xiǎn)很高;一回路熱段相關(guān)部位風(fēng)險(xiǎn)次之;一回路冷段相關(guān)部位風(fēng)險(xiǎn)較低。

        3 結(jié)論和建議

        3.1 結(jié)論

        根據(jù)分析,得出以下結(jié)論:

        1)PWSCC的產(chǎn)生需要具備敏感材料、腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力三個(gè)條件。

        2)與穩(wěn)壓器相連的600合金部位對(duì)PWSCC具有較高的敏感性,一回路熱段焊縫中等,其他部位的敏感性較低;

        3)焊縫表面經(jīng)過(guò)打磨或機(jī)加工處理后,表面硬度和殘余應(yīng)力增加,PWSCC敏感性升高,返修部位敏感性更高。

        3.2 建議

        針對(duì)600合金PWSCC問(wèn)題,建議通過(guò)加強(qiáng)檢查、緩解和維修等措施來(lái)進(jìn)行管理。

        檢查手段主要是增加檢查頻度和改變檢查方法。緩解的常用方法是將對(duì)PWSCC敏感的部件直接更換為耐PWSCC的材料或者將其與一回路水或蒸汽環(huán)境完全隔離開(kāi),包括管道外表面堆焊、內(nèi)表面堆焊、半截管更換和襯板技術(shù)。改善應(yīng)力的常見(jiàn)的技術(shù)主要有機(jī)械應(yīng)力改善技術(shù)、熱處理、設(shè)備表面強(qiáng)化處理等。還可以通過(guò)改善運(yùn)行環(huán)境來(lái)降低材料對(duì)PWSCC的敏感性,如提高電化學(xué)電勢(shì)、加鋅以及降低運(yùn)行溫度等。

        參考文獻(xiàn)

        [1] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY,Stress corrosion cracking in light water reactors: good practices and lessonslearned,IAEA nuclear energy series No. NP-T-3.13,IAEA,Vienna(2011).

        [2] Minimum Chromium Content In Nickel-Alloy Weld Overlays to Mitigate PWSCC,SIR-05-007.endprint

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