压水堆一回路系统600合金部位应力腐蚀开裂风险分析

张江涛++高轩

摘 要：本文介绍了因科镍600合金在压水堆核电厂一回路水环境下发生一回路水应力腐蚀开裂（PWSCC）的机理和影响因素，并从因科镍600合金失效案例、各部位对应力腐蚀开裂的敏感性，以及表面加工工艺的影响等方面进行分析，对国内某核电机组一回路600合金部位发生应力腐蚀开裂的风险进行了评价，认为稳压器接管安全端异种钢焊缝及电加热器贯穿件部位风险最高，一回路热段相关部位风险次之，需要进一步加强监督管理，以确保机组安全运行。

关键词：压水堆 600合金 一回路水应力腐蚀开裂 风险分析

中图分类号：TL353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0120-02

早期压水堆核电厂一回路系统的许多部位使用了因科镍600合金及相关焊接材料。随着运行时间的延长，很多部位出现了应力腐蚀开裂的现象[1]。大量研究表明，600合金材料在压水堆一回路水或蒸汽环境下对一回路水应力腐蚀开裂（PWSCC）敏感。

国内某压水堆核电机组一回路压力边界的一些部位使用了600合金材料。鉴于600合金对PWSCC的敏感性，需要对这些部位进行深入分析和评价，并制定相应的应对措施，确保机组安全稳定运行。

1 应力腐蚀开裂

应力腐蚀是金属材料在拉应力和腐蚀介质的共同作用下所引起的脆性断裂。应力腐蚀开裂必须具备3个条件才能产生，即敏感性材料、拉应力和腐蚀环境。

1.1 敏感性材料

退火温度和铬含量是影响镍基合金对PWSCC敏感性的两个重要因素。高温退火有利于使碳化物在晶界大量析出，碳化物可以阻碍和消耗晶界中的氧，防止铬的局部氧化，同时碳化物起到位错源的作用，导致塑性应变，从而引起裂尖钝化，降低合金对PWSCC的敏感性。

镍基合金对PWSCC的敏感性存在一个门槛值。当铬含量超过门槛值时，材料就能有效防止PWSCC的发生。镍基合金在一回路水环境中会反应消耗11%～12%的铬，而合金内部氧化的门槛值约为10%的铬，再加上一定的安全裕量，铬含量24%以上就对PWSCC不敏感[2]。

1.2 拉应力

持续较高的拉应力是PWSCC发生的必要条件。产生拉应力的原因，一个是由压力、温度和其他机械应力而引起的运行应力，一个是焊接残余应力。在设计中已对运行应力进行了分析和计算，而较高的拉应力往往是由于制造过程中焊接后冷却收缩而引起的。焊接残余应力是PWSCC萌生和扩展的主要驱动力。

1.3 腐蚀环境

一回路系统的水化学和温度是影响PWSCC的重要因素。运行温度较高的部位会比运行温度较低的部位更易发生应力腐蚀开裂。冷却剂中氢和锂的浓度会影响裂纹萌生和扩展，需要严格控制水质。加锌可以延长启裂时间，降低裂纹扩展速率，在一些核电厂中已有应用。

2 应力腐蚀开裂风险分析

2.1 失效案例分析

对国际上发生PWSCC的案例进行了调研，分析表明，大部分PWSCC失效事件发生在机组运行20年以后，发生部位为蒸发器传热管及一回路贯穿件或接管异种钢焊缝。国内某机组已运行20多年。随着运行时间的增加，600合金部位发生PWSCC的风险逐渐升高，应予以特别关注。

2.2 敏感性分析

一般来讲，对PWSCC同样敏感的材料，在相同拉应力的作用下，裂纹萌生的时间是运行温度的函数，可用下式表示：

式中，EDY为等效降质时间，年；

ΔEFPYj为在温度Tj下的运行时间，年；

Qi为裂纹萌生的热活化能，50kcal/mol；

R为气体常数，1.103×10-3kcal/mol.°R；

Tj为物体在j时段的运行温度；

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

Tref为参考温度，600°F=1059.67°R=315.6℃

工业界常用上式来评价镍基合金对PWSCC的敏感性。EDY≥12说明材料对PWSCC的敏感性高，EDY介于8～12之间说明材料对PWSCC敏感性为中等，DEY<8说明材料对PWSCC敏感性低。

根据机组的运行参数，计算得到各部位的EDY值。结果

表明，与稳压器相连的600合金部位对PWSCC的敏感性高，一回路热段部位的敏感性中等，而其他部位的敏感性较低。

2.3 表面处理工艺对表面残余应力的影响

在现场焊接完成后需要进行打磨或机加工处理，使焊缝金属的表面粗糙程度满足无损检测的要求。打磨或机加工以及作业时产生的高温环境会使焊缝表面的状态发生改变，如表面变硬、残余应力增大等，这些状态发生了改变的表层称为冷加工层。打磨可分为粗磨和细磨，两者导致的冷加工层也存在显著差别。粗磨导致的冷加工层会增加部件PWSCC的倾向，而细磨则会抑制PWSCC的倾向。

根据部件的制造记录，稳压器喷雾管、泄压管和安全管接管异种钢焊缝在役前进行过返修，对焊缝内表面进行了补焊和打磨，增加了焊缝表面的拉应力，进而增加PWSCC发生的可能性。

2.4 风险分析

综合考虑以上因素，对机组600合金部位发生PWSCC的风险进行了评估，结果如下：

稳压器接管安全端异种钢焊缝及底部贯穿件部位发生PWSCC的风险很高；一回路热段相关部位风险次之；一回路冷段相关部位风险较低。

3 结论和建议

3.1 结论

根据分析，得出以下结论：

1）PWSCC的产生需要具备敏感材料、腐蚀环境和拉应力三个条件。

2）与稳压器相连的600合金部位对PWSCC具有较高的敏感性，一回路热段焊缝中等，其他部位的敏感性较低；

3）焊缝表面经过打磨或机加工处理后，表面硬度和残余应力增加，PWSCC敏感性升高，返修部位敏感性更高。

3.2 建議

针对600合金PWSCC问题，建议通过加强检查、缓解和维修等措施来进行管理。

检查手段主要是增加检查频度和改变检查方法。缓解的常用方法是将对PWSCC敏感的部件直接更换为耐PWSCC的材料或者将其与一回路水或蒸汽环境完全隔离开，包括管道外表面堆焊、内表面堆焊、半截管更换和衬板技术。改善应力的常见的技术主要有机械应力改善技术、热处理、设备表面强化处理等。还可以通过改善运行环境来降低材料对PWSCC的敏感性，如提高电化学电势、加锌以及降低运行温度等。

参考文献

[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