趙繼松

摘 要：反應(yīng)堆壓力容器（RPV）是核電站關(guān)鍵重要設(shè)備，硼酸泄露容易導(dǎo)致RPV母材、螺栓等部位發(fā)生腐蝕。對(duì)硼酸腐蝕的機(jī)理和硼酸腐蝕過(guò)程進(jìn)行細(xì)致分析，提出RPV硼酸腐蝕評(píng)估方法，并給出開展RPV硼酸腐蝕控制方法建議。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器 硼酸 腐蝕

中圖分類號(hào)：TL3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0101-02

在壓水堆核電站一回路系統(tǒng)中加入少量的硼酸，用以控制中子反應(yīng)性。在反應(yīng)堆壓力容器（RPV）設(shè)計(jì)過(guò)程中，內(nèi)壁堆焊有奧氏體不銹鋼，用于防止一回路硼酸腐蝕，但RPV的母材一般為低合金鋼材料制造而成，無(wú)論是西方PWR堆型的RPV材料為508-III鋼，還是俄羅斯WWER堆型的RPV材料為15Cr2NiMoVA鋼，都不具備抗硼酸腐蝕能力。

在一回路冷卻劑中的硼酸與RPV低合金鋼接觸后就發(fā)生硼酸腐蝕?，F(xiàn)已在西方型反應(yīng)堆上觀察到壓力容器頂蓋、密封環(huán)、封頭螺栓和儀表管等部位發(fā)生了因硼酸泄漏而導(dǎo)致材料腐蝕損傷的事件；在WWER型壓力容器控制棒驅(qū)動(dòng)管嘴法蘭和壓力容器頂蓋封頭螺栓的絲扣周圍也發(fā)生了硼酸的少量泄露[1-3]。

1 硼酸腐蝕機(jī)理

硼酸被認(rèn)為是一種弱酸，但當(dāng)硼酸溶液泄漏至RPV頂蓋外表面和主螺栓等熱表面時(shí)，硼酸中的水蒸發(fā)，然后留下濃縮的硼酸溶液，最終形成硼酸結(jié)晶，在95℃下飽和硼酸溶液的pH值小于3，具有很強(qiáng)的腐蝕性。

引起硼酸耗蝕的因素包括雜質(zhì)、氧氣、環(huán)境溫度、環(huán)境PH值、流體流速等。雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致環(huán)境電導(dǎo)率上升，也會(huì)導(dǎo)致金屬表面鈍化膜破壞，從而導(dǎo)致腐蝕的增加。氧濃度會(huì)促進(jìn)金屬表面Fe2O3的形成，加快腐蝕速率。高溫會(huì)使硼酸水溶液蒸發(fā)濃縮，加速金屬腐蝕，但水完全蒸發(fā)后，殘留的干燥硼酸晶體的腐蝕性并不是很強(qiáng)。硼酸PH值對(duì)RPV材料的腐蝕速率關(guān)系曲線見圖1，當(dāng)pH升高到強(qiáng)堿性范圍也會(huì)加快腐蝕速率。硼酸水溶液/蒸氣對(duì)高溫金屬表面的沖刷會(huì)加快均勻腐蝕[4]。

硼酸腐蝕按照腐蝕的范圍可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。局部腐蝕包括：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕。電偶腐蝕是針對(duì)異種鋼焊縫區(qū)域金屬材料不同，造成材料腐蝕速率增加。RPV中典型縫隙腐蝕環(huán)境是頂蓋法蘭密封面、法蘭接觸面等；縫隙腐蝕與縫隙中硼酸濃度變化、氧濃度、有害離子富集有關(guān)。圖2顯示了這些因素的共同作用機(jī)制。RPV的不銹鋼一般不會(huì)發(fā)生硼酸導(dǎo)致的晶間腐蝕。在存在富氧情況，縫隙區(qū)區(qū)域的應(yīng)力會(huì)引發(fā)應(yīng)力腐蝕。

2 硼酸腐蝕評(píng)價(jià)方法

在RPV服役過(guò)程中發(fā)生硼酸泄漏，須評(píng)估腐蝕部位是否違反該部件的最小設(shè)計(jì)裕度。如超過(guò)了最小設(shè)計(jì)厚度，則需要對(duì)進(jìn)行更換或補(bǔ)焊。如果在探測(cè)到硼酸腐蝕后，部件的設(shè)計(jì)厚度仍在裕度內(nèi)，則需要對(duì)部件是否可繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，以保證RPV在到達(dá)下次換料停堆期間的使用安全性。對(duì)部件運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估包括腐蝕現(xiàn)狀分析、可繼續(xù)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、評(píng)估部件降質(zhì)程度是否滿足法規(guī)要求和建立補(bǔ)充性檢查或運(yùn)行要求。

2.1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)狀分析是指對(duì)已發(fā)生的硼酸泄漏/腐蝕及材料降質(zhì)情況進(jìn)行分析，以確定部件的受損情況，主要包括信息收集和質(zhì)量損失評(píng)估兩項(xiàng)工作內(nèi)容。

信息收集是對(duì)RPV已發(fā)生泄漏事件的基本信息進(jìn)行收集、整理，以確定硼酸泄漏程度和部件受腐蝕程度，收集內(nèi)容包括硼酸泄漏漏點(diǎn)、硼酸液體流動(dòng)速率及泄漏軌跡、發(fā)生硼酸泄漏部件及受硼酸泄漏影響的部件和區(qū)域等。美國(guó)EPRI針對(duì)水介質(zhì)泄漏程度進(jìn)行了量化分級(jí)，具體分為0級(jí)至5級(jí)。具體泄露程度分析見表1[5]。

受損部件分析包括可拆卸部件和不可拆卸部件分析。若受腐蝕部件是可拆卸的，可按照清理部件表面的硼酸沉淀物，目視檢查，定量材料損失的過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。若受損部件是不可拆卸的，在清理硼酸沉淀物前需要對(duì)部件的受損情況進(jìn)行初步判定。試驗(yàn)表明，部件質(zhì)量損失程度與發(fā)生硼酸泄漏環(huán)境和泄漏量有一定的關(guān)系，影響因素包括硼酸晶粒體積、部件材質(zhì)、環(huán)境（溫度、壓力、硼酸濃度、連接接頭類型等）。通常少量硼酸沉淀物反映了硼酸泄漏程度較低，材料質(zhì)量損失較少。

2.2 可繼續(xù)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

可繼續(xù)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估考慮的因素有：腐蝕環(huán)境類型、最大腐蝕速率、下一計(jì)劃?rùn)z查時(shí)材料的腐蝕性能。RPV涉及到的環(huán)境有除氣水環(huán)境、環(huán)形縫隙的環(huán)境（如控制棒驅(qū)動(dòng)管嘴焊縫周圍）和高溫且有硼酸滲出的環(huán)境，EPRI給出了碳鋼和低合金鋼最大腐蝕速率的規(guī)律和范圍（見表2），若同時(shí)存在多種環(huán)境類型，需進(jìn)行綜合分析。

綜合分析以上因素，結(jié)合電站經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最大腐蝕速率，計(jì)算材料在下一計(jì)劃?rùn)z查時(shí)的可能的最大腐蝕程度；這一計(jì)算應(yīng)包含目前材料降質(zhì)程度不確定性和繼續(xù)運(yùn)行時(shí)材料可能出現(xiàn)的最大腐蝕速率。

2.3 評(píng)估部件降質(zhì)程度是否滿足法規(guī)要求

完成受損部件可繼續(xù)使用的降質(zhì)評(píng)價(jià)后，需進(jìn)一步判定部件是否滿足法規(guī)規(guī)定的降質(zhì)要求。這種評(píng)判方法適用于部件不再發(fā)生泄漏，且材料不會(huì)繼續(xù)受到腐蝕，評(píng)判對(duì)象包括腐蝕RPV螺栓、螺紋、法蘭、頂蓋或其他部件。對(duì)于RPV殼體材料，ASME III中NB-3332.1規(guī)定對(duì)于容器殼體發(fā)生局部腐蝕，若腐蝕坑小于（R：頂蓋半徑；t：頂蓋厚度），且腐蝕后殼體厚度滿足壓力載荷，則不需要進(jìn)行強(qiáng)度分析。對(duì)法蘭的腐蝕評(píng)價(jià)不能用此方法，需先對(duì)受腐蝕部位進(jìn)行應(yīng)力分析，然后評(píng)估其是否滿足原設(shè)計(jì)要求。

3 RPV硼酸腐蝕評(píng)估與控制方法建議

RPV硼酸腐蝕控制工作不僅要進(jìn)行技術(shù)分析評(píng)估，還需要利用其它管理方法加強(qiáng)對(duì)硼酸腐蝕控制，開展縱深防御工作，開展諸如概率安全分析評(píng)估，引入檢測(cè)裝置，提高對(duì)泄漏量敏度的檢測(cè)以降低泄漏量等工作。具體核電站應(yīng)進(jìn)行依據(jù)具體電站RPV的材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等，重點(diǎn)需要關(guān)注頂蓋外表面、主螺栓及螺紋孔等部位的硼酸腐蝕。根據(jù)對(duì)RPV硼酸腐蝕評(píng)估分析研究，認(rèn)為RPV硼酸腐蝕檢查、分析、評(píng)估和控制工作主要內(nèi)容如下：

（1）查找泄漏源頭及泄漏軌跡、判定硼酸泄漏程度。

（2）評(píng)估受硼酸腐蝕部件的質(zhì)量損失，清理硼酸腐蝕產(chǎn)物。

（3）根據(jù)目前硼酸泄漏狀態(tài)、部件質(zhì)量損失程度來(lái)判定受損部件是否可繼續(xù)使用，包括受損部件繼續(xù)使用時(shí)可能發(fā)生的降質(zhì)情況、其降質(zhì)程度是否滿足相關(guān)法規(guī)要求，若不滿足要求，則進(jìn)行部件的更換、修補(bǔ)、維修等措施。

（4）從管理上加強(qiáng)已發(fā)生硼酸腐蝕及可能發(fā)生硼酸腐蝕部件的檢查，增加關(guān)注點(diǎn)的檢查次數(shù)，并采取其他措施加強(qiáng)運(yùn)行管理，如在監(jiān)測(cè)部位加裝檢測(cè)硼酸泄漏裝置等。

（5）此外，還需要關(guān)注國(guó)內(nèi)外同類型核電站RPV發(fā)生硼酸腐蝕的信息，收集相關(guān)資料，通過(guò)分析、對(duì)比、總結(jié)來(lái)評(píng)估該電站相同部位發(fā)生硼酸腐蝕的可能性，并加強(qiáng)檢查。

參考文獻(xiàn)

[1] 欒景衛(wèi).關(guān)于Davis-Besse核電站事件的分析與認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)核電，2013，6（2）.

[2] Survey of Boric Acid Corrosion Events by Samantha Crane and William Cullen Materials Engineering Branch Office of Regulatory Research[J].US Nuclear Regulatory Commission.Rev，2004.

[3] IAEA-TECDOC-1556： Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety PWR pressure vessels，2007.

[4] Handbook of Corrosion Engineering[J]. McGraw-Hill，1999.

[5] Boric Acid Corrosion Guidebook， Revision 1：Managing Boric Acid Corrosion Issues at PWR Power Stations[J].EPRI report 100097，2001.