核电站海水系统蝶阀蝶板腐蚀原因分析及处理.pdf

文章编号 100225855 2008 0520037204 作者简介马普东1971 - ,甘肃永昌人,工程师,从事核电站备品备件相关的采购工程工作。 核电站海水系统蝶阀蝶板腐蚀原因分析及处理 马普东 中广核大亚湾核电运营管理责任有限公司,广东 深圳518124 摘要 分析了大亚湾及岭澳核电站蝶阀蝶板腐蚀的原因。介绍了国外企业采用的阀门处理新 工艺,提出了一些有针对性的改进措施,解决了现场海水系统蝶阀蝶板腐蚀问题。 关键词 核工业用阀;海水;蝶阀;腐蚀;材料 中图分类号 TH134 文献标识码 A The research of the corrosion reasons and some effective s to solve the problem for the discs of seawater butterfly valves NPP MA Pu - dong Da Ya Bay Nuclear Power Operation seawater ; butterfly valve ; corrosion ; material 1 概述 大亚湾核电站投运已经超过10年,岭澳核电 站投运也已经接近5年。两核电站近年来多次在不 同海水系统发现了阀门蝶板的腐蚀现象,部分蝶阀 的蝶板严重腐蚀,有的腐蚀成碎片或者中间穿孔, 导致阀门功能丧失。本文通过对各种不同工况的蝶 板腐蚀现象进行对比分析,找出了腐蚀原因,并提 出了一些有效的解决方案,部分已经在现场实施, 防腐蚀效果较好。 2 工况条件 大亚湾及岭澳核电站常规岛及核岛的冷却水源 均取自海水,其工作温度接近常温,在冷却器出口 的海水温度略有上升,但不超过50℃。在海水入 水口加入次氯酸以杀死海生物,所以海水系统中的 Cl离子浓度较高,达到17g/ L ,导致金属材料的腐 蚀性比普通海水要剧烈。因此海水系统所使用的蝶 阀基本上都是衬胶蝶阀,阀体与海水接触部分全部 衬胶胶料通常为乙丙橡胶、丁腈橡胶或氯丁橡 胶 , 蝶板则采用相对耐海水腐蚀的金属材料,如 铝青铜、奥氏体不锈钢316L等。这样对于蝶阀整 个部件来说,阀体、阀杆等零部件有衬胶层保护, 不会与工作介质直接接触,而蝶板则要与工作介质 直接接触,受到海水腐蚀图 1 。 如DN300电动蝶阀的表面镀镍磷铸钢蝶板, 在工作温度为33℃max ,工作压力为0116MPa 的工况条件下,腐蚀成蜂窝状,并凹凸不平图 1a 。DN250气动蝶阀铝青铜蝶板,在工作温度 33℃max ,工作压力014MPa的工况条件下, 腐蚀严重,密封面损 伤,关 闭 不 严图 1b 。 DN100手动蝶阀铝青铜蝶板,在工作温度33℃ max ,工作压力014MPa的工况条件下 ,腐蚀严 重,大部分消失,阀门已经失去隔离功能图 1c 。DN80手动蝶阀铝青铜蝶板在工作温度33℃ max ,工作压力014MPa的工况条件下 ,腐蚀严 重,部分残缺,阀门已经失去隔离功能。 3 原因分析 311 铝青铜蝶板 核岛海水冷却系统铝青铜蝶板材料为法国牌号 CuAl10Fe5Ni5 ,遵守RCC - M M4301标准。常规 岛海水冷却系统常用的铝青铜蝶板材料为海军铜 GUN METAL、B22 BS1400和AB2等。根据 核岛应急生水系统热交换器的海水侧排水阀SEC 732008年第5期 阀 门 - 055～058 - VE阀门及海水样品的试验分析及 技术分析,确定造成海水系统中蝶阀铝青铜蝶板腐 蚀的原因有电偶腐蚀、选择性腐蚀、空蚀和冲刷腐 蚀等。 a电动蝶阀的表面镀镍磷铸钢蝶板 b气动蝶阀铝青铜蝶板 c手动蝶阀铝青铜蝶板 d DN80手动蝶阀铝青铜蝶板 图1 蝶板腐蚀状况 1电偶腐蚀 在加氯海水中,蝶板铝青铜的自腐蚀电位 比阀杆不锈钢的自腐蚀电位负,从热力学分 析,一旦衬胶层破裂,与阀杆直接相连的蝶板就会 加速腐蚀。静态试验的结果表明铝青铜试样与不锈 钢阀杆试样组成电偶后所产生的腐蚀约是单独铝青 铜试样的一倍,如果考虑海水的流动,腐蚀率会更 高。 在靠近钛板热交换器以及凝汽器内有大量钛 管的位置安装的阀门腐蚀速度远高于距离这些设 备更远的阀门,因为钛材和铝青铜蝶板之间通过管 道内的工作介质是电连接的。钛在海水中的自腐蚀 电位比不锈钢更高正,与铝青铜蝶板之间组成电偶 造成电偶腐蚀的驱动力比不锈钢更强,这样就加速 了铝青铜蝶板的腐蚀。 2选择性腐蚀 铝青铜材料主要元素为Cu - Al - Ni - Fe ,冶 炼、铸造及热处理过程中会造成金相组织的不均 匀,容易形成富铝贫铜区和贫铝区。富铝区的电位 比贫铝区的电位低,所以富铝区的相容易成为阳 极,由于晶间相变造成铝作为阳极快速溶解,在海 水中择优腐蚀造成选择性腐蚀,也就是脱铝腐蚀。 这种典型的脱铝腐蚀是蝶板失效的基本原因之一。 3空蚀 如果水温保持不变,使水面压强降低到某临界 值后,水体内部原来含有的很小气泡将迅速膨胀, 在水中形成含有水蒸气或其他气体的明显气泡,这 种现象称为“空化”,类似于沸腾。介质流经的局 部地区,压强低于某临界值时,液体也会发生空 化。在低压区空化的液体带着大量的空泡形成了 “两相流”运动,因而破坏了液体的宏观连续性, 水流携带着的空泡在流经下游压强较高的区域时, 空泡将发生溃灭。由于空泡溃灭时产生很大的瞬间 压强,抗溃灭发生在固体表面附近时,水流中不断 溃灭的空泡所产生的高压强的反复作用,可破坏固 体表面,这种现象称为“空蚀” 。 由于工作介质流经阀门蝶板时,流速较高,蝶 板表面因存在凹凸不平,且阀门存在节流,尤其是 阀门所在的位置若管道存在支管的话,容易导致产 生旋涡,造成空蚀。 4冲蚀 快速流动的海水冲刷也会导致蝶板加速腐蚀, 冲刷腐蚀是一种机械腐蚀。 综合分析,造成铝青铜蝶板腐蚀的主要原因是 电偶腐蚀,其次是选择性腐蚀。空蚀和冲蚀也是蝶 板腐蚀的原因,但不是主要原因。 312 奥氏体不锈钢蝶板 造成奥氏体不锈钢蝶板腐蚀的原因有点蚀、缝 隙腐蚀和应力腐蚀。 1点蚀 点蚀是不锈钢常见的局部腐蚀之一,通常发生 在含有卤素阴离子的溶液中,其中以氯化物、溴化 物的腐蚀性最强。不锈钢的耐蚀性主要决定于保护 性的钝化膜,但钢中存在缺陷、杂质和溶质等的不 均一性,当介质中含有某些活性阴离子如Cl - 达到一定浓度时,这些阴离子首先吸附在金属表面 的某些点上,使不锈钢表面钝化膜发生破坏,一旦 这层钝化膜破坏又缺乏自钝化能力时,不锈钢表面 就发生点蚀。 2缝隙腐蚀 核电站中缝隙腐蚀产生的主要部位是反应堆系 统中的元件组件、控制棒驱动机构、蒸发器传热管 与管板的胀接处和传热管与支撑板之间以及管板上 方结垢沉淀区等部位,以及不锈钢法兰垫片结合面 83 阀 门 2008年第5期 处及盘根填料室及填料压盖等,都存在缝隙电偶腐 蚀的危险性。部分阀门正常运行时处于关闭状态, 蝶板与阀座之间存在缝隙,容易导致蝶板产生缝隙 腐蚀。缝隙腐蚀在含有活性阴离子 Cl - 、F - 的 介质中更敏感。 3应力腐蚀 不锈钢在特定的腐蚀介质中和在静拉伸应力 包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接 等所引起的残余应力,以及裂缝锈蚀产物的楔入应 力等下所出现的低于强度极限的脆性开裂现象称 为应力腐蚀开裂。不锈钢的应力腐蚀除与介质的温 度有关外,介质中Cl - 浓度的影响也不容忽视,随 氯化物浓度的增加, Cr - Ni不锈钢的应力腐蚀开 裂所需时间缩短。 总体上分析,造成奥氏体不锈钢蝶板腐蚀的主 要原因与海水中较高的氯离子浓度有关,应力腐蚀 及点蚀都与氯离子浓度高有很大关系。 4 蝶板防腐蚀措施 411 表面喷涂涂层 对于铝青铜蝶板可以采用表面喷涂HARLAR 非金属涂层的方法提高耐腐蚀性能。该涂层是一种 含氟聚合物,主要由CTFE与乙烯基合成,具有较 好的耐化学腐蚀性能,能够适用于高氯离子的海 水。可以防止海水介质与蝶板金属材料直接接触, 有效地防止了电偶腐蚀、选择性腐蚀和应力腐蚀等 的发生,国外核电站已有成功的经验。 HALAR涂层技术简单经济,工艺比较成熟, 在铝青铜CuAl10Fe5Ni5 , RCC - M M4301蝶 板上加HALAR涂层,不违反RCC - M标准。大 亚湾及岭澳核电站在SEC055/ 056/ 057/ 058VE上 SEC/ RRI热交换器冷却水入口管道疏水阀 选用 HALAR涂层的阀门替代原铝青铜蝶板的阀门,现 场安装运行已超过2年,没有发生过蝶板腐蚀问 题。 412 采用特殊材料 有一些金属材料耐高氯离子浓度海水的腐蚀性 能比较强,既可以有效防止应力腐蚀、点蚀等常规 腐蚀,也可以防止电偶腐蚀和选择性腐蚀等。 1 254SMO 254SMO在高氯离子浓度的介质环境中的使用 情况良好。在国内, 254SMO材料使用在脱硫装 置、石化行业和部分火电厂。国外的试验结果表 明, 254SMO耐腐蚀性能要优于超级奥氏体不锈钢 904L 表 1 。但254SMO材料的价格相对较高, 阀门的制造成本相对于铝青铜蝶板及不锈钢蝶板的 蝶阀要高。 大亚湾核电站已经用254SMO蝶板材料 的蝶阀美国BRAY替代原来的铝青铜及316L 蝶板材料的蝶阀。新阀门安装到现场近一年,没有 再发生过腐蚀现象。 表1 254SMO性能与化学成分 环境条件 牌号 ASTM 密度 kg/ dm3 弹性模量 kN/ mm2 热膨胀系数 10 - 6/ ℃ 导热系数 W/ m℃ 屈服强度 Rp012/ MPa 抗拉强度 Rm/ MPa 延伸率 ψ/ 20℃S31254819516151430065040 化学性能CSiMnCrNiMoCoWAlCuTiFe其他 质量百分数 Wt/ ≤0102≤0180≤1100 1915～ 2015 1715～ 1815 610～ 615 --- 015～ 110 - N0118～0122 P≤0103 S≤0101 2双相不锈钢 双相不锈钢的组织特点是它兼有奥氏体和铁素 体的优点,同时克服了二者的部分缺点。双相不锈 钢具有强度高、韧性好和优良的耐晶间腐蚀、应力 腐蚀和点蚀的能力。岭澳核电站二期部分海水系统 阀门选用了双相不锈钢蝶板的阀门。 413 表面衬橡胶 蝶板表面衬橡胶的方法,同样可以防止海水介 质与蝶板金属材料直接接触,有效地防止了电偶腐 蚀、选择性腐蚀和应力腐蚀等,且材料成本低,工 艺成熟。但蝶板与阀体所衬的橡胶硬度相近,密封 面成“软-软”配合,阀门的操作力矩相对较大, 同时长期运行后,橡胶容易变形,导致阀门的密封 性不能保证。蝶板表面衬橡胶防腐的方法可以使用 到一些日常可以隔离检修,要求相对不太高的工况 场合。 5 结语 正常情况下使用铝青铜材料的蝶板,这种材料 在大亚湾核电站及岭澳核电站海水系统广泛使用, 总体使用情况良好。部分国外阀门采用316L作为 932008年第5期 阀 门 蝶板材料,没有发现严重的腐蚀,但国内的316L 材料在海水中发现过严重腐蚀。选用这种设计将大 大降低阀门的采购成本。在钛板热交换器附近以及 腐蚀特别严重的的场合对于存在电偶腐蚀和空蚀严 重的位置,但系统要求不高,失效不会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板和阀体衬胶的阀门成本 低。对于存在电偶腐蚀及空蚀、选择性腐蚀比较 严重的位置,且系统要求较高,失效会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板254SMO 或双相不锈 钢、阀体衬胶的阀门成本高。对于存在电偶腐 蚀及空蚀、选择性腐蚀比较严重的位置,且系统要 求较高,有RCC - M制造要求的阀门,建议选用 蝶板铝青铜 HALAR涂层、阀体衬胶的阀门。 参考文献 〔1〕 冈毅民.中国不锈钢腐蚀手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1992. 〔2〕 杨文斗.反应堆材料学 〔M〕.北京机械工业出版社, 2000. 〔3〕 中国科学院金属研究所沈阳中科腐蚀控制工程技术中心.蝶 板腐蚀原因分析 〔Z〕. 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AMRI 收稿日期 20081081 07 上接第7页 坏。所以为了保证阀门正常工作,在外壳体上设 置了波纹管用来平衡和消除由于温度变化而引起 的内外壳体变形。变形量根据3/ 1000mm的试验 数据确定,从而选定波纹管的规格。 6 阀门零部件的深冷处理 阀体材料采用了0Cr18Ni9奥氏体不锈钢, 该类材料在低温状态下存在着奥氏体组织向马氏 体组织转化的倾向 〔5〕, 当奥氏体向马氏体转化 时就会造成体积的变化,从而使得阀门密封面有 可能失去密封性能而失效。为了降低在工作状态 的这种转化量,其零部件在精加工前进行了深冷 处理。通常采用的方法是在液氮中浸泡1～2h , 并重复2～3次,满足使用要求。 7 结语 DN250液氢截止阀加工组装后,根据相关 标准的要求进行了强度试验和密封试验,产品试 验过程中无泄漏和异常变形等,满足了设计要 求。 该阀已申报专利申请号 2007201863261 3 。 参考文献 〔1〕 徐烈,等.低温容器 设计、制造与使用 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1987 , 136 - 157. 〔2〕 〔 苏〕H.T.洛马宁柯,Ю.Ф.库里柯夫.低温阀 〔M〕.北京机械工业出版社, 1990 , 24 - 48. 〔3〕 李珍.液氢活门截止阀设计中的几个问题 〔J〕.低 温工程, 1979 , 2 9 - 10. 〔4〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2002 , 1022 - 1025. 〔5〕 汪谦信.结合SF7 - 14谈超低温球阀 〔J〕.低温工程, 1979 , 4 39. 收稿日期 20081051 26 上接第10页 口流量特性的影响,阀芯顶端不同形状对阀口流 量特性的影响,阀芯与阀座叠合与否对阀口流量 特性的影响,若为带球头的锥阀,球头阀口颈部 长度L对阀口流量特性的影响,阀口开度、背 压对流量特性的影响等。根据实验得知,在选择 阀芯锥度和阀座倒角时,应使角度小一些,且两 者要相等。在相同压差情况下,带球头的锥阀要 比非球头的锥阀流量系数大。阀座无倒角时的流 量系数要比有倒角时的流量系数大。在设计球头 阀口时,球头颈部的长度短一些比较好。 参考文献 〔1〕 王春行.液压伺服控制系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1989. 〔2〕 杨曙东,李壮云,朱玉泉.水压传动的主要课题与研究 进展 〔J〕.中国机械工程, 1998 , 11 9 1070 - 1073. 〔3〕 雷天觉.液压工程手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002 , 988 - 995. 〔4〕 王东.海水液压柱塞泵关键技术及其样机的研究 〔J〕. 华中科技大学学报, 2002. 〔5〕 宋鸿尧,丁忠尧,等.液压阀设计与计算 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1982. 〔6〕 杨友胜.新型水压节流阀及水压元件综合性能试验台的 研制 〔J〕.华中科技大学学报, 2003 , 04 . 〔7〕 李壮云.液压元件与系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2005. 〔8〕 张铁华,杨友胜,等.二级圆锥式节流阀口的设计及试 验研究 〔J〕.液压与气动, 2001. 〔9〕 Water Hydraulics.A technical databook〔M〕.BFPA P82. 〔10〕 What is currently available in the field of water hydraulic 〔C〕. 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