核电厂水池结构不锈钢覆面在模拟泄漏环境中的腐蚀性能研究.pdf

TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.09 SEP.202372腐蚀研究Corrosion Research技术核电厂水池结构不锈钢覆面在模拟泄漏环境中的腐蚀性能研究刘 忠韩传伟刘洪群（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）摘 要：采用点蚀、晶间腐蚀、电化学和应力腐蚀的方法对核电厂水池结构304L不锈钢覆面在模拟泄漏环境中的腐蚀性能进行研究。结果表明，304L不锈钢在模拟泄漏环境中母材的耐点蚀能力略好于焊缝和热影响区，但比在水池内介质中更易于发生点蚀；在常规硼酸水浓度环境和模拟泄漏环境中304L不锈钢具有良好的抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。关键词：水池结构不锈钢覆面点蚀晶间腐蚀应力腐蚀中图分类号：TG172.5 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.09.072.04Study on the Corrosion Performance of Stainless Steel Cladding in Nuclear Power Plant Water Tank Structure in Simulated Leakage EnvironmentLIU Zhong,HAN Chuan-wei,LIU Hong-qun(Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou 215004,China)Abstract:The corrosion performance of 304L stainless steel cladding for nuclear power plant water pool structures in simulated leakage environments was studied using pitting,intergranular corrosion,electrochemistry,and stress corrosion methods.The results show that the pitting resistance of 304L stainless steel in the simulated leakage environment is slightly better than that of the weld seam and heat affected zone,but it is more prone to pitting corrosion than in the medium in the water tank;304L stainless steel has good resistance to intergranular corrosion and stress corrosion in conventional boric acid water concentration environments and simulated leakage environments.Key words:water pool structures;stainless steel cladding;pitting;intergranular corrosion;stress corrosion作者简介：刘忠(1983)，男，山东潍坊人，工程师，硕士，主要从事核电站腐蚀与防护相关工作。0 引言核电厂机组反应堆水池及乏燃料水池不锈钢覆面不锈钢板材焊接而成，以容纳水池内部大量硼酸水1。对于M310和CPR1000堆型而言，水池结构材料通常由厚度36mm的304L不锈钢覆面构成。对于三代机组而言，水池结构材料通常由S32101等双相不锈钢等构成。覆随着服役时间的增长，水池结构出现泄漏的可能性也随之增加，国内外已经出现多起水池泄漏的事件2,3。水池不锈钢覆面的焊缝及热影响区域往往是腐蚀敏感部位。就介质而言，水池内部介质通常为硼酸水，呈弱酸性。以大亚湾为例，水池内部介质要求为B3+浓度23002500mg/L、Cl-和F-浓度0.15mg/L。水池结构泄漏的失效机理主要包括原始焊接缺陷、全面腐蚀控制第37卷第09期 2023年09月73腐蚀研究Corrosion Research技术不锈钢覆面从水侧开始的腐蚀、不锈钢覆面从混凝土侧开始的腐蚀等。国内某核电厂水池不锈钢覆面发生开裂，断口显示氯离子浓度（质量分数）达0.18%4。徐为民、张微啸等人研究了304L不锈钢在硼酸水中的腐蚀行为5,6。本工作以304L不锈钢焊接件为研究对象，在模拟泄漏水环境开展相关点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀试验，并与硼酸水以及标准溶液进行对比，研究材料的腐蚀行为。1 试验1.1 试样试验材料选用满足ASME A240的S30403，焊材选用满足AWS A5.9-2015的ER308L，具体成分如表1所示。对试验材料进行显微组织检验，母材组织为孪晶奥氏体组织，如图1所示。（a）母材 （b）焊缝（c）熔合线图1 材料显微组织1.2 试验方法1.2.1 点蚀浸泡试验点蚀分析依据GB/T 18590-2001金属和合金的腐蚀-点蚀评定方法进行。将材料置于6%FeCl3溶液、硼酸溶液（2400mg/L B3+）、硼酸+NaCl（2400mg/L B3+1800mg/L Cl-）介质中进行点蚀浸泡实验，其中硼酸+NaCl为模拟泄漏水环境。用碳化硅砂纸将试样表面研磨到1200号，焊缝保持原始表面。测量试样尺寸、清洗后并称重。用去离子水及分析纯 6%FeCl3溶液，然后加热至35，最后将试样置于塑料支架上并在密封溶液中浸泡48h。试验结束后，清除试样表面的腐蚀产物，采用光学显微镜和照相机观察记录试样表面形貌，测失重并计算试样单位时间单位面积的腐蚀速率。1.2.2 电化学试验参照GB/T 17899-1999进行动电位极化曲线测试。用去离子水及分析纯的硼酸和NaCl试剂配制试验溶液，有二种：（1）含2400mg/L B3+1800mg/L Cl-的混合溶液；（2）2400mg/L B3+溶液。第一种为水池泄漏模拟溶液，第二种为水池内部介质溶液，试验温度为常温。试样为10105mm的板状，并且将试样使用环氧树脂密封，留出1010mm的工作面。1.2.3 晶间腐蚀试验试验根据 GB/T 4334-2008金属和合金的腐蚀：不锈钢晶间腐蚀试验方法方法E不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法进行，从焊接板取2个焊缝试样，试样尺寸同金相试样。用砂轮机磨平磨光试样正反两面，一个试样做敏化处理（丙酮去油干燥后，在650保温2h，空冷），一个试样不敏化，表1 化学成分分析结果元素百分含量（w%）CSSiMnPCrNiMoCu焊缝0.0170.621.960.0170.01019.400.0209.360.022母材0.0200.501.590.0260.01018.560.0108.100.031TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.09 SEP.202374腐蚀研究Corrosion Research技术将试样的表面逐级打磨至600号碳化硅砂纸，再用丙酮清洗。用去离子水配置硫酸-硫酸铜试验溶液。在带回流冷凝器的磨口锥形烧瓶底部铺一层铜屑，然后放置试样，加入试验溶液，通冷却水，加热试验溶液并使之保持微沸状态，连续试验48h。试验后取出试样，用无水乙醇清洗后干燥后进行金相分析，分析晶间腐蚀深度。1.2.4 应力腐蚀试验依据YB/T 5362-2006不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法进行应力腐蚀试验。从焊缝部位截取片状试样6个，将样品制成片状试样（试样尺寸75102mm），并打磨至2000号砂纸，然后弯曲至180，使得试样外表面形成拉应力，然后取每组两个试样浸泡在沸腾氯化镁（45%）中，每0.5h观察一次，直至出现裂纹。同样每组取两个试样浸泡在硼酸溶液（2400mg/kg）、硼酸+NaCl（硼酸2400mg/kg，Cl-1800mg/kg）中35浸泡72h，观察是否出现裂纹。2 试验结果与讨论2.1 点蚀浸泡试验结果点蚀浸泡试验结果如图2所示。从图中可以看出，焊接试样三氯化铁溶液中发生明显腐蚀，水池内介质（2400 mg/L B3+）和模拟泄漏环境（2400mg/L B3+1800mg/L Cl-）未发生明显腐蚀；三氯化铁溶液中点蚀部位呈随机分布，表明焊缝、热影响区和母材的耐点蚀性能无明显差别。表2为点蚀失重结果。从表中可以看出，304L材料在三氯化铁介质中发生明显点蚀而失重较大，达1.3653g，水池内介质（2400 mg/L B3+）和模拟泄漏环境（2400mg/L B3+1800mg/L Cl-）介质中失重远远低于三氯化铁介质失重，表明304L材料在水池内介质和模拟泄漏环境中耐点蚀性能较好，不易发生点蚀。图2 点蚀浸泡试验结果（自上而下分别为三氯化铁、硼酸溶液、硼酸+NaCl）2.2 电化学试验结果图3为模拟泄漏环境（2400mg/L B3+1800mg/L Cl-）中的极化曲线。从图中可以看出，焊缝和热影响区的点蚀电位和自腐蚀电位基本一致，母材的点蚀电位和自腐蚀电位略高于焊缝和热影响区，说明母材的耐点蚀性能略好于焊缝和热影响区，但相差不大。图4为水池内介质（2400mg/L B3+）中的极化曲线。从图中可以看出，母材、焊缝和热影响区的点蚀电位和自腐蚀电位基本一致，说明硼酸水中三者的耐点蚀能力都非常好。图3和图4相比较而言，水池内介质中点蚀电位为1.31.4V，模拟泄漏环境中点蚀电位为0.30.4V，两者相差非常大。也就是说，同样材料在模拟泄漏环境中比在水池内介质中更易于发生点蚀。表2 点蚀失重溶液失重（g）均值（g）FeCl31.33501.58771.17331.3653B3+0.00000.00020.00000.0001B3+NaCl0.00100.00900.01600.0090全面腐蚀控制第37卷第09期 2023年09月75腐蚀研究Corrosion Research技术图3 2400 mg/L B3+1800mg/L Cl的混合溶液中的极化曲线-1-0.500.511.522.531.00E-101.00E-061.00E-02E/VI/A.cm-2?图4 2400 mg/L B3+溶液中的极化曲线2.3 晶间腐蚀试验结果晶间腐蚀结果如图5所示。从图中可以看出，敏化试样和未敏化试样晶界未出现碳化物，均未出现晶间腐蚀。2.4 应力腐蚀试验结果沸腾氯化镁（45%）浸泡试样在4h后出现裂纹，裂纹从外表面启裂，垂直向内表面扩展直至开裂，如图6所示。表明304L材料在高浓度的Cl-环境下具有较强的应力腐蚀敏感性。另外在水池内介质（2400mg/L B3+）和模拟泄漏环境（2400mg/L B3+1800mg/L Cl-）溶液中的浸泡72h的试样，未出现应力腐蚀裂纹。图6 应力腐蚀试验结果3 结语通过上述分析可以得到以下结论：（1）在模拟泄漏环境下，核电厂水池材料304L不锈钢母材的耐点蚀能力略好于焊缝和热影响区，在模拟泄漏环境中比在水池内介质中更易于发生点蚀；（2）在模拟泄漏环境下，核电厂水池材料304L不锈钢具有良好的抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。参考文献1 彭志珍,唐西明,尹芹.国内外压水堆核电厂硼酸腐蚀管理调研J.全面腐蚀控制,2014,28(9):21-25.2 赵迪,李光福,纪开强等.乏燃料池用S32101/ER2209双相不锈钢焊接板点蚀行为J.腐蚀与防护,2019,40(12):861-870.2 赵迪,李光福,钟志民.核电厂水池用不锈钢的腐蚀问题及相关研究J.腐蚀与防护,2020,41(9):10-15.4 操丰,方江,唐世延等.核电厂换料水池304L 不锈钢覆面开裂原因分析J.核动力工程,2014,35(2):150-153.5 徐为民,詹静,李成涛等.304L不锈钢焊接接头表面状态对其在硼酸溶液中腐蚀行为的影响J.腐蚀与防护,2018,39(6):459-462.6 张微啸,李成涛,陈建军等.304L不锈钢在硼酸水溶液中的腐蚀行为J.腐蚀与防护,2015,36(1):68-71.（a）未敏化（b）敏化图5 晶间腐蚀试验结果