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        某核電站熱試期間堆芯上柵格板嵌入件腐蝕原因分析

        2021-09-24 09:12:12董洪全馬大海
        全面腐蝕控制 2021年8期
        關(guān)鍵詞:基合金殘留物堆焊

        董洪全 馬大海 李 克

        (陽江核電有限公司,廣東 陽江 529500)

        0 引言

        如圖1所示,某核電站堆芯上柵格板為反應(yīng)堆燃料組件提供定位,其邊緣開有4個(gè)定位鍵槽,每個(gè)鍵槽左右兩側(cè)裝有嵌入件,嵌入件表面堆焊鈷基合金。在熱試后檢查發(fā)現(xiàn)嵌入件表面的鈷基合金出現(xiàn)多處損傷,損傷以凹坑和擦痕的形式呈現(xiàn),并存在黑色殘留物。對損傷部位放大觀察(如圖2所示),發(fā)現(xiàn)損傷呈現(xiàn)較為典型的局部腐蝕形貌。本文從嵌入件及腐蝕部位、腐蝕產(chǎn)物方面展開分析。

        圖2 嵌入件腐蝕缺陷形貌(50×)

        1 失效分析

        核電在嵌入件基體上堆焊有鈷基合金,其磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異[1,2],為了探究嵌入件表面腐蝕原因,本文進(jìn)行了成分測試、金相試驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、SEM和能譜分析等實(shí)驗(yàn)測試。

        1.1 成分分析

        本文對距熔合線5mm處焊縫橫截面合金成分進(jìn)行了分析,如表1所示,堆焊層縱向表面合金成分符合RCC-M MC1350規(guī)范要求。

        表1 距熔合線5mm處堆焊層化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(wt%)

        對見證件進(jìn)行SEM微觀分析,圖3為距熔合線5 mm處縱向橫截面的SEM形貌,其結(jié)果表明各主要合金元素分布均勻,未發(fā)現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象。

        圖3 距熔合線5 mm處縱向表面的SEM面掃描結(jié)果(500×)(a:焊縫表面形貌;b:焊縫表面Fe分布;c:焊縫表面Cr分布;d:焊縫表面Co分布;e:焊縫表面C分布;f:焊縫表面W分布)

        1.2 硬度測試

        對堆焊層進(jìn)行洛氏硬度測試,結(jié)果如表2所示。其硬度符合RCC- M MC1280標(biāo)準(zhǔn),

        表2 距熔合線5mm處縱向試樣表面的硬度檢驗(yàn)結(jié)果

        1.3 金相分析

        對樣品進(jìn)行金相分析,圖4為嵌入件母材組織形貌,表明基體母材為孿晶奧氏體組織,晶粒度為4~5級,未見異常。圖5為熔合區(qū)組織形貌,可以看出堆焊層單層厚度約1.8mm,熔合區(qū)晶粒粗大,發(fā)生碳遷移現(xiàn)象,為正常焊接組織,未見異常;圖6為距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌,可以看出堆焊層縱向截面焊縫組織為鑄態(tài)奧氏體,未見異常;綜上所示,焊縫組織未發(fā)現(xiàn)偏析、夾渣、微裂紋和未融合等缺陷,未見異常。

        圖4 螺栓絕緣套筒示意圖

        圖4 嵌入件母材組織形貌

        圖5 堆焊熔合區(qū)組織形貌

        圖6 距熔合線5mm處焊縫橫截面組織形貌

        1.4 殘留物的微觀分析

        對嵌入件表面的黑色殘留物進(jìn)行SEM微觀分析,殘留物的微觀形貌如圖7所示。如表3所示,殘留物中除W、Cr、Co等元素外,還有微量的Cl元素。

        表3 不同殘留物(垢樣)中主要合金元素成分(wt%)

        圖7 殘留物的微觀形貌(1000×)

        殘留物中Cl元素為外來元素,依據(jù)其運(yùn)行工況和安裝環(huán)境分析[3],可能是在裝配過程中引入的。經(jīng)調(diào)查,裝配過程使用了潤滑油,則對涂抹的同類型潤滑油進(jìn)行檢測,結(jié)果表明潤滑油中含有氯元素(如表4所示)。

        表4 潤滑劑S、Cl、F元素檢測結(jié)果

        2 結(jié)果與討論

        樣品的化學(xué)成分、金相結(jié)構(gòu)、硬度均符合規(guī)范要求,SEM檢查表明各主要合金元素分布均勻,未發(fā)現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象,但在腐蝕產(chǎn)物的SEM和能譜分析檢查中發(fā)現(xiàn)了氯元素,且分析證明其來自裝配過程中使用的潤滑劑。同時(shí),對嵌入件與定位銷之間的裝配尺寸進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)嵌入件與導(dǎo)向銷之間的大部分縫隙尺寸恰好在縫隙腐蝕敏感縫寬(0.025~0.1mm)的范圍內(nèi)[4],而嵌入件表面堆焊層使用的是Stellite 6鈷基合金,其對縫隙腐蝕敏感,進(jìn)而潤滑劑中的氯元素增加了縫隙腐蝕的發(fā)生傾向。

        在熱試條件下,堆內(nèi)構(gòu)件因激勵(lì)源作用產(chǎn)生的流致振動(dòng)較為嚴(yán)重,當(dāng)縫隙中積聚一定的雜質(zhì)顆粒和氧化物顆粒,振動(dòng)摩擦將導(dǎo)致微粒破壞Stellite 6合金的鈍化膜,使縫隙腐蝕的腐蝕速率增加。

        綜上所述,導(dǎo)致嵌入件在熱試中發(fā)生腐蝕可能由安裝縫隙、潤滑劑帶來的氯離子和振動(dòng)三個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

        3 結(jié)語

        (1)導(dǎo)致堆內(nèi)構(gòu)件中嵌入件發(fā)生腐蝕的原因是它與導(dǎo)向銷之間的大部分縫隙尺寸恰在縫隙腐蝕敏感縫寬(0.025~0.1mm)的范圍內(nèi),且在氯離子和摩擦的作用下發(fā)生了縫隙腐蝕;

        (2)在設(shè)備安裝過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制外來元素的引入,尤其是鹵素。

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