核級不銹鋼截止閥銹蝕原因分析及工藝改進

2014-09-20 田冬青環(huán)境保護部華北核與輻射安全監(jiān)督站

　　分析了核級不銹鋼截止閥密封面產(chǎn)生銹蝕的原因，論述了模擬工況下試樣的銹蝕機理，介紹了改進工藝避免密封面銹蝕的方法。

1、概述

　　截止閥以其密封面機械磨損小，方便維護等特性，廣泛應(yīng)用在核電站管線系統(tǒng)中。但某核電站的核級不銹鋼截止閥在堆焊的密封面部位出現(xiàn)了明顯銹蝕( 其他核電站也相繼出現(xiàn)同類銹蝕問題) ，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為影響了閥門的質(zhì)量。

2、核級不銹鋼截止閥密封面產(chǎn)生銹蝕的原因分析

　　針對核級不銹鋼截止閥堆焊密封面銹蝕問題，主要從3 個方面進行原因分析。①分析閥體和密封面部位的化學(xué)成分，確定其是否發(fā)生了不利轉(zhuǎn)變。②分析打磨用鋼刷的化學(xué)成分，確定打磨用鋼刷是否對不銹鋼密封面造成了污染。③分析過程工藝( 焊接工藝、打磨工藝等) 對閥門的影響。

　　2.1、閥體和密封面材料

　　選用DN15 不銹鋼截止閥( Z2CND18 - 12NS) ，采用光譜儀和取末化驗的方法對閥體和密封面材料化學(xué)成分進行檢測( 表1) 。測試結(jié)果表明，閥體和密封面部位的化學(xué)成分滿足RCC - M M3301 的要求，化學(xué)成分未發(fā)生不利轉(zhuǎn)變。

表1 閥體和密封面部位化學(xué)成分 Wt%

閥體和密封面部位化學(xué)成分

　　2.2、打磨用鋼刷

　　采用光譜儀和取末化驗的方法對打磨用鋼刷的化學(xué)成分進行分析( 表2) ，分析結(jié)果表明，鋼刷材料為Fe-Cr-Mn 系奧氏體和馬氏體雙相不銹鋼。采用不銹鋼刷打磨不銹鋼閥門，符合RCC - M 標(biāo)準(zhǔn)的要求，且在同類閥門的生產(chǎn)中也采用了同種材質(zhì)的不銹鋼刷手工打磨，未出現(xiàn)密封面部位銹蝕問題。化學(xué)成分分析顯示不銹鋼刷Mn 含量高，Mn 元素能夠提高材料的耐磨性。

表2 鋼刷化學(xué)成分 Wt%

鋼刷化學(xué)成分

　　2.3、工藝過程

　　(1) 焊接工藝

　　核級不銹鋼截止閥密封面部位的堆焊經(jīng)過了焊接工藝評定，且焊接工藝評定報告符合RCC - M 標(biāo)準(zhǔn)的要求。密封面部位金相檢驗結(jié)果( 圖1) 表明，熔焊區(qū)金相組織良好，熱影響區(qū)基本為奧氏體，熔焊區(qū)為冷卻形成的典型的柱狀晶，表明密封面的熔焊工藝正常，焊接后的金相合格，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為排除了焊接工藝對密封面質(zhì)量的影響。

密封面部位熔焊區(qū)金相組織

圖1 密封面部位熔焊區(qū)金相組織× 100

　　(2) 打磨工藝

　�、賹﹂y門微觀形貌和化學(xué)成分的影響選擇閥體基體分別經(jīng)過手動刷打磨、電動刷打磨、砂輪打磨后的試樣進行掃描電鏡分析和化學(xué)成分分析(圖2，表3) 。分析結(jié)果表明手動打磨的表面較平整，電動刷打磨的表面次之，砂輪打磨的表面最粗糙。

不同打磨工藝處理過的閥門基體表面微觀形貌

(a) 電動刷打磨(b) 砂輪打磨(c) 手動刷打磨

注: 字母標(biāo)注的位置和白線區(qū)為檢測化學(xué)成分區(qū)。

圖2 不同打磨工藝處理過的閥門基體表面微觀形貌

　　通過與表1 中閥體的化學(xué)成分對比分析，砂輪打磨和手動打磨后的試樣表面化學(xué)成分與基體材料化學(xué)成分基本相同，而電動刷打磨后的試樣表面Mn含量明顯增高。通過與表2 中鋼刷的化學(xué)成分對比分析，電動刷打磨后的試樣表面浮凸物的Mn 含量與電動鋼刷的化學(xué)成分接近。表明高速運轉(zhuǎn)的電刷打磨破壞了材料表面的鈍化膜，并使鋼刷的微小碎屑部分嵌鑲粘合在打磨表面。

表3 不同打磨工藝處理的閥門基體化學(xué)成分 Wt%

不同打磨工藝處理的閥門基體化學(xué)成分

　　②對閥門基體腐蝕的影響

　　根據(jù)核電現(xiàn)場核級不銹鋼截止閥的實際工作環(huán)境，選擇Na2S04 + NaCl 腐蝕液模擬大氣腐蝕工況。選擇經(jīng)過手動刷打磨、電動刷打磨、砂輪打磨和電動刷打磨后噴丸4 種打磨工藝處理后的試樣模擬閥門基體。在Na2S04 + NaCl 溶液中浸泡72h，模擬大氣腐蝕試驗( 圖3) 。腐蝕結(jié)果表明，電刷打磨的閥門基體試樣出現(xiàn)了銹蝕斑，其余打磨工藝處理的試樣均無銹蝕斑�？梢婋娝⒋蚰スに囀遣讳P鋼截止閥密封密封面銹蝕產(chǎn)生的主要原因之一。

不同打磨工藝處理的閥體試樣經(jīng)模擬大氣腐蝕后的宏觀形貌

(a) 手動刷打磨(b) 電刷打磨(c) 砂輪打磨(d) 電刷噴丸

圖3 不同打磨工藝處理的閥體試樣經(jīng)模擬大氣腐蝕后的宏觀形貌

　�、蹖γ芊饷鎱^(qū)域的影響

　　密封面的原始表面、手動刷打磨、電動刷打磨和砂輪打磨3 種打磨工藝處理后的試樣，在Na2S04 +NaCl 溶液中浸泡72h，模擬大氣腐蝕試驗(圖4) 。腐蝕結(jié)果表明，電刷打磨的試樣出現(xiàn)了銹蝕斑，其余打磨工藝處理的試樣均無銹蝕斑，可見電刷打磨工藝是不銹鋼截止閥密封面銹蝕產(chǎn)生的主要原因之一。

不同打磨工藝處理的密封面部位模擬大氣腐蝕后的宏觀形貌

(a) 原始表面(b) 手動刷打磨(c) 電刷打磨(d) 砂輪打磨

圖4 不同打磨工藝處理的密封面部位模擬大氣腐蝕后的宏觀形貌

　　2.4、分析

　　通過對閥體和密封面的化學(xué)成分分析，可知閥體和密封面部位的化學(xué)成分未發(fā)生不利轉(zhuǎn)變。通過對打磨用鋼刷的化學(xué)成分分析，可知鋼刷為Fe-Cr-Mn 系奧氏體和馬氏體雙相不銹鋼，該鋼刷未對不銹鋼截止閥造成污染。通過對工藝過程的分析，排除了焊接工藝對密封面質(zhì)量的影響。電刷打磨的試樣出現(xiàn)了銹蝕斑，而其他打磨工藝處理的試樣，包括電刷打磨后噴丸的試樣均未出現(xiàn)銹蝕斑，可見電刷打磨工藝是不銹鋼截止閥密封面銹蝕產(chǎn)生的主要原因。電刷打磨破壞了鈍化膜，并使鋼刷的微小碎屑部分轉(zhuǎn)移，嵌鑲粘合在打磨表面，影響了閥門基體的再鈍化，在沿海核電站潮濕的環(huán)境下，鋼刷碎屑與閥門基體相互作用產(chǎn)生銹蝕。

3、核級不銹鋼截止閥工藝改進及試驗驗證

　　針對核級不銹鋼截止閥密封面銹蝕問題改進了打磨工藝，密封面收弧處及焊縫表面用120#砂紙或60#布輪打磨。打磨時注意表面的平滑過渡，不允許出現(xiàn)較明顯的磨削痕跡，同時打磨使用過的砂紙、軟布( 同一塊可使用不同部位) 不可重復(fù)使用。砂紙打磨必須戴手套，避免手與產(chǎn)品直接接觸，防止對產(chǎn)品造成污染。打磨后經(jīng)過酸洗鈍化、清洗，目視檢查密封面表面是否仍存有殘留的焊接氧化變色層和缺陷，如果發(fā)現(xiàn)表面存在這兩種情況，須采用60#砂布對其進行打磨清理直至去除，目視檢驗合格。采用新打磨工藝處理的閥門經(jīng)過在Na2S04 + NaCl 溶液中浸泡72h 的模擬大氣腐蝕試驗，未出現(xiàn)銹蝕，且采取新工藝后，核電站用核級不銹鋼截止閥未發(fā)現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。