壓水堆一回路系統(tǒng)600合金部位應(yīng)力腐蝕開裂風險分析

1、壓水堆一回路系統(tǒng)600合金部位應(yīng)力腐蝕開裂風險分析摘要：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)力腐蝕開裂PWSCC的機理和影響因素，并從因科鎳600合金失效案例、各部位對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性，以及外表加工工藝的影響等方面進行分析，對國內(nèi)某核電機組一回路600合金部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風險進行了評價，認為穩(wěn)壓器接管平安端異種鋼焊縫及電加熱器貫穿件部位風險最高，一回路熱段相關(guān)部位風險次之，需要進一步加強監(jiān)督管理，以確保機組平安運行。關(guān)鍵詞：壓水堆600合金一回路水應(yīng)力腐蝕開裂風險分析中圖分類號：TL353文獻標識碼：A文章編號：1674-098X202110a-012

2、0-02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。隨著運行時間的延長，很多部位出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象【1】。大量研究說明，600合金材料在壓水堆一回路水或蒸汽環(huán)境下對一回路水應(yīng)力腐蝕開裂PWSCC敏感。國內(nèi)某壓水堆核電機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PWSCC的敏感性，需要對這些部位進行深入分析和評價，并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保機組平安穩(wěn)定運行。1應(yīng)力腐蝕開裂應(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)力腐蝕開裂必須具備3個條件才能產(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

3、影響鎳基合金對PWSCC敏感性的兩個重要因素。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，同時碳化物起到位錯源的作用，導(dǎo)致塑性應(yīng)變，從而引起裂尖鈍化，降低合金對PWSCC的敏感性。鎳基合金對PWSCC的敏感性存在一個門檻值。當鉻含量超過門檻值時，材料就能有效防止PWSCC的發(fā)生。鎳基合金在一回路水環(huán)境中會反應(yīng)消耗11%12%的鉻，而合金內(nèi)部氧化的門檻值約為10%的鉻，再加上一定的平安裕量，鉻含量24%以上就對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，一個是由壓力、溫度和其他機械應(yīng)力而引起的運行應(yīng)

4、力，一個是焊接剩余應(yīng)力。在設(shè)計中已對運行應(yīng)力進行了分析和計算，而較高的拉應(yīng)力往往是由于制造過程中焊接后冷卻收縮而引起的。焊接剩余應(yīng)力是PWSCC萌生和擴展的主要驅(qū)動力。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。運行溫度較高的部位會比運行溫度較低的部位更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。冷卻劑中氫和鋰的濃度會影響裂紋萌生和擴展，需要嚴格控制水質(zhì)。加鋅可以延長啟裂時間，降低裂紋擴展速率，在一些核電廠中已有應(yīng)用。2應(yīng)力腐蝕開裂風險分析2.1失效案例分析對國際上發(fā)生PWSCC的案例進行了調(diào)研，分析說明，大局部PWSCC失效事件發(fā)生在機組運行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

5、管異種鋼焊縫。國內(nèi)某機組已運行20多年。隨著運行時間的增加，600合金部位發(fā)生PWSCC的風險逐漸升高，應(yīng)予以特別關(guān)注。2.2敏感性分析一般來講，對PWSCC同樣敏感的材料，在相同拉應(yīng)力的作用下，裂紋萌生的時間是運行溫度的函數(shù)，可用下式表示：式中，EDY為等效降質(zhì)時間，年；EFPYj為在溫度Tj下的運行時間，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時段的運行溫度；°R=°F+459.67=1.8×+32+459.67=1.8×+491.67Tref為參

6、考溫度，600°F=1059.67°R=315.6工業(yè)界常用上式來評價鎳基合金對PWSCC的敏感性。EDY12說明材料對PWSCC的敏感性高，EDY介于812之間說明材料對PWSCC敏感性為中等，DEY根據(jù)機組的運行參數(shù)，計算得到各部位的EDY值。結(jié)果說明，與穩(wěn)壓器相連的600合金部位對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外表處理工藝對外表剩余應(yīng)力的影響在現(xiàn)場焊接完成后需要進行打磨或機加工處理，使焊縫金屬的外表粗糙程度滿足無損檢測的要求。打磨或機加工以及作業(yè)時產(chǎn)生的高溫環(huán)境會使焊縫外表的狀態(tài)發(fā)生改變，如外表變硬、剩余應(yīng)力增大等，這

7、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磨，兩者導(dǎo)致的冷加工層也存在顯著差異。粗磨導(dǎo)致的冷加工層會增加部件PWSCC的傾向，而細磨那么會抑制PWSCC的傾向。根據(jù)部件的制造記錄，穩(wěn)壓器噴霧管、泄壓管和平安管接管異種鋼焊縫在役前進行過返修，對焊縫內(nèi)外表進行了補焊和打磨，增加了焊縫外表的拉應(yīng)力，進而增加PWSCC發(fā)生的可能性。2.4風險分析綜合考慮以上因素，對機組600合金部位發(fā)生PWSCC的風險進行了評估，結(jié)果如下：穩(wěn)壓器接管平安端異種鋼焊縫及底部貫穿件部位發(fā)生PWSCC的風險很高；一回路熱段相關(guān)部位風險次之；一回路冷段相關(guān)部位風險較低。3結(jié)論和建議3.1結(jié)論根據(jù)分析，得出以下結(jié)論

8、：1PWSCC的產(chǎn)生需要具備敏感材料、腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力三個條件。2與穩(wěn)壓器相連的600合金部位對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焊縫外表經(jīng)過打磨或機加工處理后，外表硬度和剩余應(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600合金PWSCC問題，建議通過加強檢查、緩解和維修等措施來進行管理。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，包括管道外表面堆焊、內(nèi)外表堆焊、半截管更換和襯板技術(shù)。改善應(yīng)力的常見的技術(shù)主要有機械應(yīng)力改善技術(shù)、熱處理、設(shè)備外表強化處理等。還可以通過改善運行環(huán)境來降低材料對PWSCC的敏感性，如提高電化學(xué)電勢、加鋅以及降低運行溫度等。參考文獻【1】INTERNATIonALATOMICENERGYAGENCY，Stresscorrosioncrackinginlightwaterreactors：goodpracticesandlessonslearned，IAE