核电站循环水泵泵轴腐蚀原因分析及修复技术

　　唐辉鹏粟泽军赵宝谦

　　(中广核核电运营有限公司大修中心，广东深圳;518000)

　　摘要：通过对大亚湾某核电机组循环水泵泵轴选型材料的耐腐蚀和耐点蚀性能分析，发现泵轴材料自身耐腐蚀和 耐点蚀性能较低。对泵轴表面附着物成分化验分析，发现其含有点蚀敏感离子氯离子，锁定泵轴点蚀的原因。通过对 泵轴设计装配结构分析，找到含氯离子介质进入泵轴缝隙的途径。根据泵轴腐蚀原因制定了泵轴修复和防腐措施，恢复泵轴正常可用，并避免泵轴后续继续腐蚀。

　　中图分类号：TH311 文献标识码：A

　　引言

　　核电站循环水系统(CRF)循环水泵主要为冷凝 器等常规岛设备提供冷却用海水。该泵将海水输送 至冷凝器钛管带走热量，再由出水室和排水渠回流 大海。每台机组设计有2台循环水泵，各提供 50%的循环水流量。如果其中任何一台CRF泵岀 现故障停泵会直接导致机组降功率约50%,影响 巨大，是核电站的关键敏感设备。

　　1设备缺陷描述

　　2013年12月14日，在大亚湾某核电机组第 11轮大修中，预防性抽查全检1号循环水泵时, 发现泵轴与盘根轴套安装配合位置轴颈有一段宽约 100 mm的腐蚀带，腐蚀外观形貌为密集的小点坑, 腐蚀带中最大点蚀坑约巾12 mm,最深点蚀坑深度 约7 mm,如图1所示。

　　2015年10月，在另一机组第13轮大修期间， 抽査全检两台循环水泵时，发现泵轴与盘根轴套安 装配合位置轴颈表面均有零星轻微腐蚀现象，如图 2所示。1号泵轴表面大约有5处轻微腐蚀凹坑, 最大凹坑直径约4 mm,最深凹坑深度约2 mm;轴 头。型圈密封面附近有轻微腐蚀，深度不足1mm, 未影响0型圈密封面。2号泵轴表面状态稍好，仅 局部轻微点蚀麻点，深度不足0.5 mm，但轴头0 型圈密封附近存在整圈轻微腐蚀，腐蚀最深深度约 2 mm,可能影响0型圈密封面。

　　现场拆卸过程中，发现盘根轴套与泵轴之间缝 隙中均有大量糊状污物覆盖在泵轴表面。泵轴的腐 蚀将直接影响到泵轴的强度，当腐蚀严重到一定程 度，可能导致运行中的泵轴断裂，导致泵不可用。

　　图1 1号循环水泵泵轴表面点蚀图

　　图2泵轴局部轻微点蚀图

　　2泵组运行工况条件

　　2.1泵组性能参数

　　该核电站循环水泵为大型单级立式离心泵，水 泥涡壳。泵的性能参数见表1。

　　2.2泵轴材料性能

　　泵轴材料为X20Crl3(NF EN10088 -3),属马 氏体不锈钢。其化学成分见表2,力学性能见表3皿。

　　3原因分析

　　3.1泵轴选型材料耐腐蚀性能分析

　　钢材的耐腐蚀性能随Cr含量的增加而提高， 一般当Cr含量达到12%以上的Fe-Cr合金，才具 有一定的耐腐蚀性能，俗称为不锈钢。X2OCrl3马 氏体不锈钢的Cr含量约13% ,按点蚀当量值计算 公式计算该材料最大耐点蚀当量值PRE -1 x%Cr + 3. 3 x%Mo + 16 x%N = 14,与常见奥氏体不锈 钢316( PRE =24)和常见双相不锈钢2205( PRE = 35)对比，可知X20Crl3耐点蚀性能较低。但该材 料经退化软化处理后可获得良好的切削加工性能， 经调质处理后可获得较高的强度和硬度，性价比 髙，常用于常规设备的轴类部件。

　　3.2泵轴的点蚀机理

　　该泵轴材料具有一定的耐腐蚀性能，但是在含 有侵蚀性强的卤素离子(如氯离子)介质中易发生 点蚀，亦称为孔蚀，点蚀是该类不锈钢腐蚀的主要 形式之一図，泵轴点蚀示意图如图3所示。参考该 类不锈钢点

　　蚀机理最新研究信息，分析认为：由于 泵轴表面局部难免存在各种轻微缺陷(如拉伤、磨 损、夹杂、不均匀性、位错“露头”等)，缺陷部 位钝化膜较脆弱，当接触到侵蚀性强的氯离子时, 钝化膜中的阳离子容易与氯离子反应生成可溶性氯 化物，局部钝化膜被破坏，此为点蚀的诱发阶 段国。破坏的腐蚀点部位成为活化的阳极，周围的 区域成为阴极区。因阳极区域面积小，腐蚀电流密 度大，溶解速度快，在金属表面快速形成点蚀核。 同时点蚀区域还会形成氧浓度差电池腐蚀，由于点 蚀孔洞的底部氧不易补充，缺氧的结果使得金属发 生分解反应MTM++e\在孔洞上方的周围有较 高浓度的氧，而发生还原反应O2 +2H2O+4e--> 4OH-,因此孔洞四周受到保护，不会腐蚀，孔洞 底部缺氧区域点蚀不断扩大、加深。泵轴表面实际 腐蚀形貌是点蚀坑直径小，深度深，与前述分析完 全吻合。

　　图5泵轴表面污物图

　　3.3泵轴装配结构及腐蚀介质来源分析

　　该循环水泵为立式单级离心泵。泵轴上部通过联轴器与齿轮箱联接，下部直接与叶轮联接，其功 能是将齿轮箱的旋转机械能传递至叶轮，带动叶轮 旋转做功。

 

 

　　图4泵轴装配及腐蚀区域示意图

　　图3泵轴点蚀示意图

　　如图4所示，泵轴外部由上至下安装有盘根轴 套、保护套、叶轮、导流罩，各部件结合部位均安 装有。型圈密封(共3道0型圈)，对泵轴形成密闭 保护，避免外部介质(海水或盘根冲洗水)直接接 触泵轴。盘根轴套顶部与泵轴配合位置则未设计0 型密封圈，因该处已高于盘根泄漏水正常水位，正 常工况下无介质从该处进入盘根轴套内部。盘根轴 套与泵轴为间隙配合，配合面在盘根轴套的上、下 端位置，上端设计配合直径间隙值Q 018 -0. 143 mm, 下端设计配合直径间隙值0. 062 ~ 0. 208 mm ;盘根 轴套中间段为非配合面，与泵轴间隙约1 mm。泵 轴腐蚀位置为中间非配合轴段的最下部约100 mm 区域。由图纸可知，泵轴设计上不与海水介质直接 接触，故厂家选材为耐蚀性能较低的X20Crl3o

　　现场拆卸盘根轴套后，发现盘根轴套与泵轴的 配合缝隙中有糊状污物(如图5所示)，现场检查3 道。型圈密封状态正常。査询该核电站相关历史 记录，发现循环水泵曾发生过泵坑被淹事件，原因是由于泵站排污泵失效导致污水池水位升高后通过 循环水泵的排污管倒灌回循环水泵坑，倒灌的污水 已经淹没至盘根轴套上部的旋转油箱，此时污水可 能通过盘根轴套顶部与泵轴配合的间隙渗入盘根轴 套与泵轴缝隙中。另外泵站海边潮湿环境的湿气盐 分含量较高，空气中含盐湿气也可直接通过盘根轴 套顶部间隙渗入盘根轴套内部。

　　3.4泵轴表面介质成分化验分析

表4	氯离子含量表
介质来源	氯离子含量/ppm
2号机2号泵	1000
1号机1号泵	3430
1号机2号泵	3900
盘根冲洗水（SDA清水）	30
泵腔海水	19000

　　根据化验结果，证实泵轴表面介质含有强腐蚀 性氯离子，且泵轴表面的腐蚀程度直接和氯离子含 量相关，氯离子含量较高，则腐蚀较严重，氯离子 含量较低，则轻微腐蚀或无腐蚀。

　　3.5泵轴腐蚀原因分析

　　直接原因：外部含氯离子介质意外通过盘根轴 套顶部间隙进入盘根轴套内部，长期浸泡泵轴，导 致泵轴点蚀。

　　根本原因：原设计盘根轴套顶部与泵轴配合处 存在开口间隙，未设计密封圈。调试期间污水意外 淹没泵坑，且泵站临海潮气含氯离子，可通过轴套 顶部间隙渗入轴套内部，形成点蚀环境。

　　促成因素：泵轴材料X20Crl3自身耐氯离子 点蚀性能较低。

　　原因因素分析图如图6所示。

　　4泵轴修复

　　在计算确定该泵轴强度仍然满足运行要求的情 况下，通过借鉴历史经验和反复模拟试验，自主研 制出了腐蚀泵轴修复技术，并快速完成泵轴修复， 恢复泵轴可用。

　　4.1自主修复技术

　　1) 确定修补区域，将泵轴上修补区域腐蚀层 车削清除，修补区域要覆盖整个腐蚀部位，对腐蚀 层的车削要求彻底将腐蚀层清除干净。由于车削的 深度可能影响泵轴强度，因此需要结合泵轴的强度 和腐蚀深度确定车削深度。当车削清除腐蚀层后， 车削后的轴径仍然大于整个泵轴最细处轴径，可确 定车削后泵轴强度仍然满足泵运行要求。

　　另外，车削清除腐蚀层后，对车削的起点和终 点车削过渡圆角，避免出现应力集中。

　　2) 在修补区域进一步车削螺纹，形成螺纹 区，螺纹牙距选择1.0 mmo

　　车削螺纹区的目的是增大金属修补剂的附着面 积，增大修补区域表面粗糙度，提高修补剂的附着 结合力。车削形成螺纹区后，对车削的起点和终点 车削过渡圆角，避免应力集中。

　　3) 在车削清理好的区域涂覆金属修补剂， 金属修补剂选型要求颗粒度细、粘度稀、耐腐蚀 性强、能在24小时内达到最大强度，硬化后硬 度适中、韧性好，方便车削加工。通过试用多种 型号金属修补剂，最终选择了 Belzona 1321金属 修补剂。

图6 时序、原因因素分析图

　　在全检三台循环水泵时，收集了泵轴表面污物 样本进行氯离子含量化验分析，结果如表4所示。

　　参考文献

　　[1 ] NF EN10088 - 3 - 2005. Stainless steels-Part 3： Technical delivery conditions for semifinished products, bars, rods, wire, sections and bright products of corrosion resisting steels for general purposes.

　　[2] 叶超，杜楠.赵晴，等.不锈钢点蚀行为及研究方法的进展 [J].腐蚀与防护，2014, 35 (3)： 271 -276.

　　[3] 石林，郑志军，高岩.不锈钢的点蚀机理及研究方法[J].材 料导报,2015, 29 (12); 79 -85.

　　(本文编辑 唐丽丽) (收稿日期2019-07 -10)