某核电站给水泵泵轴腐蚀原因分析及处理

招锦健，刘崇志，朱健

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124）

1 引言

在某核电站1、2号机组大修中发现，增压泵泵轴在与机械密封轴套配合处发现不同程度的腐蚀，腐蚀发生的位置沿轴向宽带分布，圆周向不连续，对应机械密封轴套O形密封圈密封处的空气侧。大修中采取外送泵轴激光熔覆和现场微弧焊对泵轴腐蚀处进行修复，修复后对泵轴进行圆滑打磨，避免回装机械密封后在轴套O形密封圈处发生泄漏。分析该腐蚀现象的形成机理，防止类似现象再次发生。

2 设备简介

泵轴材料为UNS S42000马氏体不锈钢，化学成分为：w(C)≤0.15%、w(Si)≤0.1%、w(Mn)≤0.1%、w(P)≤0.04%、w(S)≤0.03%、12%≤w(Cr)≤14%。机械密封轴套材料为316不锈钢，机械密封动环通过轴套与轴固定，轴套通过轴套锁母与泵轴固定，机封轴套与轴为间隙配合。轴套内部设有O形密封圈，用于防止泵内介质从轴套处泄漏。O形密封圈材质为三元乙丙橡胶（EPDM），规格为130.00 mm×3.53 mm。密封圈槽为矩形槽，尺寸为深3 mm、宽5 mm。

3 故障现象及初步分析

3.1 故障现象

某核电站1号机组第7次大修中3号增压泵解体检查发现，泵轴两端安装机械密封轴套O形密封圈处空气侧表面腐蚀，1号增压泵的泵轴非驱动端安装机械密封轴套O形密封圈处空气侧表面也存在腐蚀。某核电站2号机组第6次大修中检查1、2号增压泵两端泵轴均存在不同程度的腐蚀现象。

泵轴腐蚀位置距离轴肩约36 mm，结合轴套图纸和机封安装图纸，确认腐蚀位置位于轴套O形密封圈空气侧轴套与轴配合的间隙。各个泵轴腐蚀程度轻重不一，有呈单线窄坑状，有呈带状分布（轴向宽度约4 mm），同时沿周向不连续分布，每个泵轴具体腐蚀的周向位置不同。检查泵轴腐蚀部位和轴套内部，存在大量红褐色和黑色腐蚀产物。由于腐蚀位于泵轴与轴套间隙位置，初步判断腐蚀类型为缝隙腐蚀。

3.2 腐蚀机理分析

一般认为，缝隙腐蚀发生的敏感区间在0.025～0.1 mm。相关研究表明，当13Cr不锈钢浸入质量浓度为3.5%的NaCl溶液后，阳极（不锈钢表层）主要发生Fe和Cr的溶解：

而阴极（缝隙内溶液）则发生溶解氧的还原：

由于溶解氧向缝隙内部扩散困难，当缝内溶解氧消耗之后形成了氧浓差电池，缝内13Cr不锈钢表层成为阳极，缝外氧浓度高成为阴极。由于缝内的Fe2+和Cr3+难以扩散到缝外，为了保持缝内溶液的电中性，Cl-向缝内迁移，导致缝内Cl-聚集，形成了可溶性的金属盐（氯化物），然后水解产生不溶性的金属氢氧化物和游离H+，大量游离H+使得溶液不断酸化：

当缝内化学环境达到金属去钝化的临界条件时，缝内电极的部分表面由钝态转为活化态，发生腐蚀。同时缝内未腐蚀的金属部分作为阴极发生析氢反应，加速金属基体的腐蚀。当pH足够低且缝内电极电位下降到析氢电位时，便有氢气析出：

最后，Fe(OH)2在缝口处氧化为Fe(OH)3，并分解为Fe2O3堆积在缝口处：

综上可知，缝隙腐蚀发生的条件概括为：①缝隙间隙在腐蚀发生的敏感宽度0.025～0.1 mm；②缝隙内处于溶液环境；③缝隙外存在大量游离负离子，特别是Cl-的存在，对钝化膜有极强的侵蚀性，对缝隙内形成酸性化学环境并加速金属的腐蚀起重要促进作用。

4 泵轴缝隙腐蚀原因分析

4.1 轴与轴套间隙条件

根据设计图纸，轴外径设计值为130.94～130.96 mm，轴套内径设计值为131.00～131.04 mm，配合处间隙宽度为0.02～0.05 mm，该间隙满足缝隙腐蚀发生的间隙条件（0.025～0.1 mm）。

4.2 缝隙内溶液环境

机械密封轴套与轴之间设置有O形密封圈，目的是防止泵送介质除氧水从轴与轴套之间外漏。发生腐蚀的缝隙处位于O形密封圈的空气侧，本应接触不到除氧水。第6次大修中检查3台增压泵两端的机械密封轴套O形密封圈状态，6个O形密封圈中有3个由于卷扭已发生塑性形变，目视检查其他3个O形密封圈状态基本成圆形。

由于安装过程O形密封圈发生卷扭，卷扭处局部位置O形密封圈被拉长而线径变小，导致压缩率变小，在泵运行过程中泵送介质可能会在这些位置渗漏至空气侧，从而使轴与轴套配合处部分间隙区间形成溶液环境。拆解2号增压泵驱动端机械密封轴套O形密封圈时，对应泵轴腐蚀位置处作标识，发现O形密封圈卷扭变形位置与泵轴腐蚀位置基本对应。

4.3 缝隙外存在游离负离子

核电站地区濒临南海,属于南亚热带湿热型海洋环境气候类型。氯离子主要来自海水，研究表明，电厂户外氯离子浓度波动范围在0.1263～1.2319 mg/（100cm2·d）之间，年平均氯离子浓度为0.5603mg/（100cm2·d），最高浓度可达2.1977mg/（100cm2·d）。高浓度的氯离子为缝隙内腐蚀的发生提供了丰富的负离子资源，对缝隙腐蚀的发生有极强的促进作用。

大量氯离子的侵入加速了缝内溶液的酸化过程，酸化始于缝隙底部，所以缝隙腐蚀首先发生于缝隙底部。对照实验室模型，对应于给水泵机械密封轴套与泵轴间隙，间隙靠近O形密封圈一侧作为缝隙底部，该位置是溶解氧最先消耗完且外部氧气最难到达的位置，大修检查1号增压泵非驱动端端泵轴腐蚀情况，靠近O形密封圈侧已发生比较明显的呈单线窄坑状腐蚀。实验表明，当r（缝隙内外表面面积比）值较大时，腐蚀先从底部开始，逐渐扩展到四周，而缝隙中心位置仍保持光亮。对比实验室模型，泵轴暴露在空气中的伸出端为缝外自由表面，增压泵泵轴发生缝隙腐蚀的r值较大，大修检查2号增压泵非驱动端端泵轴腐蚀情况与实验室结论一致，缝隙底部先发生腐蚀缝隙，然后缝隙另一侧发生腐蚀，缝隙中间位置还可看到金属光亮。

4.4 原因综述

由于机械密封厂家设计原因，机封轴套密封圈槽靠空气侧沿轴向与泵轴配合处，轴向长约4 mm位置形成0.02～0.05 mm的间隙区间。机械密封轴套O形密封圈可能在安装过程中发生卷扭，卷扭处局部位置O形密封圈被拉长而线径变小，导致压缩率变小，在泵运行过程中泵送介质会在这些位置渗漏至空气侧，从而使轴与轴套配合处部分间隙区间形成溶液环境。由于泵送介质是除氧水，加上缝隙外氧气难以进入缝内，缝隙内外形成氧浓差电池，缝内泵轴表面金属为阳极，缝外自由表面为阴极，缝内金属不断发生溶解，缝内溶液阳离子堆积。为保持电荷平衡，缝隙外游离氯离子被吸引至缝内，缝内金属盐（氯化物）发生水解，产生不溶性的金属氢氧化物和游离H+，使缝内溶液pH下降，进一步促使缝内金属溶解。上述过程反复进行，互相促进，最终导致缝隙内发生几何形状变化，腐蚀产物堆积。

5 改进措施

根据给水增压泵泵轴缝隙腐蚀发生原因的分析，改进措施为：厂家参照压力级机械密封，对现有轴套O形密封圈进行改型，增加了密封圈线径。大修检查结果表明，压力级给水泵泵送压力更高，泵轴检查未出现腐蚀现象，证明增加O形密封圈线径后，机械密封安装过程中O形密封圈不易发生卷扭，泵组运行过程中不会产生介质渗漏，消除了缝隙腐蚀发生的条件。目前已在进行机械密封改型替代。