核电站用海水蝶阀失效分析和处理

    1 概述
    目前，国内在建和已建的核电站海域水质存在差异，所以在役运行海水系统阀门的失效现象也不同。通过试验和研究，提出了技术上安全可靠，工艺比较成熟，能有效解决海水蝶阀失效的技术方案，按该方案制造的产品已投入试用，运行情况良好。
    2 失效原因
    根据海水蝶阀运行状况分析，腐蚀是引起其失效的主要原因之一。
    ①冲刷腐蚀
    冲刷在金属表面产生切应力效应。
    ②防腐层脱落腐蚀
    防腐涂层或衬里脱落失去防腐作用。
    ③均匀腐蚀
    海水中氧含量丰富且含有次氯酸钠，金属钝化膜不易形成，主要发生吸氧腐蚀，表现形式为腐蚀速度明显加快。
    ④电偶腐蚀
    因为海水为强电解质，加快了低电位金属的腐蚀。
    ⑤闭塞电池腐蚀
    由于循环水系统的部分系统处于备用状态，这些区域的海水不流动，易形成自催化的闭塞腐蚀效应。
    ⑥选择性腐蚀
    金属的电位不同，腐蚀速率也不同。
    ⑦点状腐蚀
    不锈钢因氯离子产生点蚀穿孔。
    ⑧微生物腐蚀
    海水中微生物附着在阀门上对材料腐蚀产生影响。
    3 材料试验
    3.1 材料选择
    选择海水蝶阀零部件材料时，应根据工况条件从多方面考虑。①耐腐蚀性能。②耐磨、耐冲刷能力。③经济性。④加工工艺。⑤海水中的氧含量、氯离子浓度、流速、海水的污染情况及海洋微生物对材料腐蚀性。⑥海水温度。
    3.2 浸泡试验
    14种材料在海域一SEC系统海水和海域二SEC系统海水中浸泡30d的试验结果见表1。浸泡试验前，测得海域一SEC系统海水的pH值为6～7、氯化物含量为4.10×103mg/L、硫酸盐含量为568mg/L，测得海域二SEC系统海水的pH值≈6、氯化物含量为1.82×104mg/L、硫酸盐含量为2.52×103mg/L。

表1 14种材料在海水中浸泡30d后的质量变化   g

    3.3 金属材料腐蚀电位试验
    电位试验的试样材料为SAF2507、304、ZCu-Al10Fe5Ni5、0Cr17Ni4Cu4Nb、316L和ZCu-Al10Fe3Ⅱ，各2件。分析试验结果（图1），在海水介质条件下，6种金属材料中腐蚀电位最高的是SAF2507，最低的是304，最大电位差约为210mV。随着测试时间的延长，腐蚀电位最稳定的是SAF2507、ZCuAl10Fe5Ni5和ZCuAl10Fe3Ⅱ，最不稳定的是304，0Cr17Ni4Cu4Nb和316L腐蚀电位的稳定性相对居中。所以海水阀门选用SAF2507、ZCuAl10Fe5Ni5和ZCuAl10Fe3Ⅱ制造，这3种材料腐蚀电位稳定，电位差只有60mV。发生电偶腐蚀的可能性比较小。在30℃以下时，316尚可，双相不锈钢优秀。在50℃以下时，双相不锈钢可用。在60℃以上时，宜用镍基合金或钛合金。

1．SAF25072．0Cr17Ni4Cu4Nb3．ZCuAl10Fe5Ni5
4．ZCuAl10Fe3Ⅱ5．316L6．304
图1 6金属材料在海水中耐温性能比较

    4 材料防腐蚀
    材料防腐蚀的方法很多，如涂层法（包括各种涂料、金属和塑料喷涂）、薄板衬里法（包括各种耐蚀金属及各种非金属衬里）、内部多层衬砌法（石墨板等）、非金属作为设备主体法（金属作为支撑机构）和特种防腐处理法（电化学保护技术，牺牲阳极，外加电流，加缓蚀剂）等。
    在阀门行业，常用的防腐措施有3种。
    ①阀体涂层处理
    涂层用途广泛，是国内目前采用最多的防腐措施。如涂层出现破损，修补方便，费用少。但是，涂层在流速较高的工况，局部损伤较快，需要定期修补。
    ②阀门衬胶处理
    衬胶为阀门行业常用的防腐方法。在氯丁橡胶和三元乙丙胶中添加特种材料，适用于海水工况，不长海生物。衬胶适用于海水中泥沙含量比较少的工况。但是，橡胶易老化，一般使用寿命为5～10年，如果橡胶层大面积脱落，很容易对基体产生腐蚀，且衬胶不容易修补。
    ③阴极保护处理
    以被保护的金属构件作为阴极，对其施加一定的直流电流，使其产生阴极极化。当金属的电位负于某一电位值时，该金属表面的电化学不均匀性得到消除，腐蚀的阴极溶解过程得到有效抑制，达到保护的目的。
    5 材料性能
    5.1 金属材料海水蝶阀金属材料性能对比见表2。

表2 金属材料性能对比

    5.2 橡胶材料
    橡胶试样耐海水老化性能对比见表3。

表3 橡胶试样耐海水老化性能对比

注：试剂浓度为5%的氯化钠溶液，pH值为7。
    5.3 涂层材料
    涂层材料进行附着力试验和腐蚀试验。
    （1）附着力试验
    检测涂层材料附着力试验的方法有拉伸试验、剪切试验和耐磨试验。
    拉伸试验用Φ40mm×50mm材质为Q235－A的试样12块，分成6组，分别给予编号1～6。对每件一个端面进行喷砂处理，其中1、3和5号3组Ra=12.5μm，2、4和6号3组Ra=75μm。
    将6组试样按要求涂刷涂料。1和2号试样涂刷陶瓷涂料B2层，厚度约0.5mm。3和4号试样涂刷陶瓷涂料A2层（灰、白），厚度约0.5mm。5和6号试样涂刷陶瓷涂料A6层（白、大颗粒、小颗粒、修补剂、白、灰），厚度约4mm。涂层固化后，对涂层的平均厚度进行测量，并在万能材料试验机上实施拉伸试验，试验数据见表4。

表4 拉伸试验数据

    剪切试验用50mm×50mm×8mm材质为Q235－A的试样12块，分成6组，分别给予编号1～6。对每件一个端面进行喷砂处理，其中1、3和5号3组Ra=12.5μm，2、4和6号3组Ra=75μm。将6组试样按与拉伸试验要求相同的方法涂刷涂料。涂层固化后，对涂层的平均厚度进行测量，并在万能材料试验机上进行剪切试验，试验数据见表5。

表5 剪切试验数据

    耐磨试验用100mm×100mm×8mm材质为Q235－A的试样12块，分成6组，分别给予编号1～6，进行喷砂处理、去除试块表面的铁锈、氧化皮，保证Ra=75μm以上。将6组试样按与拉伸试验要求相同的方法涂刷涂料。涂层固化后，对涂层厚度、涂刷件质量分别测定和称重，试验数据见表6。   

 
表6 耐磨试验数据

    在相同工艺条件下，采用Q3740吊钩式抛丸清理机对涂刷件1、3和5组试样进行喷砂处理，喷砂时间约5min。喷嘴离试样的距离、空气压力、砂型、喷嘴与试样的方向均一致，试验数据见表7。对涂刷件2、4和6组试样分别进行手工喷砂处理，至可见金属，并记录时间。试验数据见表8。

表7 机械喷砂耐磨试验数据

表8 手工喷砂耐磨试验数据

    （2）耐腐蚀试验
    准备100mm×100mm×10mm材质为Q235－A的试样12块，分成6组，分别给予编号1～6，进行喷砂处理，去除试块表面的铁锈和氧化皮，保证Ra=75μm以上。将6组试样按与拉伸试验要求相同的方法涂刷涂料。涂层固化后，对涂层厚度、涂刷件质量分别测定和称重。将试块放置在盐雾试验箱内，测试金属在模拟海水环境下的耐腐蚀能力。
    （3）分析
    通过对陶瓷涂料A和陶瓷涂料B2种涂料的涂层分别进行附着力试验和耐磨试验，对2种涂料的性能有了更多了解。
    ①表面越粗糙，其附着力越强，拉力也越大。反之，附着力弱，拉力相应地变弱。表面附着力与涂层厚度也有很大的关系，涂层越厚，其抗拉（剪）强度也越强。
    ②陶瓷涂料B的抗剪强度较陶瓷涂料A大，但在垂直方向的抗拉强度陶瓷材料A的性能较好。
    ③涂刷陶瓷涂料A6层的试样，粘结性比较好。
    ④陶瓷涂料A和陶瓷涂料B2种涂料硬度（金属硬度计测量）相近。涂层的硬度与涂层的厚度有关，一般涂层越厚硬度越高。
    ⑤分别对涂刷过陶瓷涂料A和陶瓷涂料B的试样进行喷砂处理，在相同施工方法的条件下，涂刷陶瓷涂料B2层的试样在2min后涂层脱落，露出金属表面。涂刷陶瓷涂料A2层的试样，在4min后涂层脱落，露出金属表面。涂刷陶瓷涂料A6层的试样在作喷砂处理45min后才渐渐露出金属表面。因此，陶瓷涂料A在耐磨性方面优于陶瓷涂料B。特别是涂层厚度越厚，其耐磨性越好。从阀门作衬胶处理和阀门刷涂陶瓷涂料A经济性分析，刷涂陶瓷涂料A涂层成本为衬胶处理的3倍左右。
    6 实例分析
    6.1 实例1
    某海域核电站2台对夹式蝶阀原是国外进口阀门，使用一个周期，阀门腐蚀严重。改为国内某企业的产品，蝶板为不锈钢，使用一个周期，阀杆和蝶板腐蚀非常严重。据分析，系统中海水的泥沙含量比较小，但工作温度较高，氯离子对金属材料的腐蚀能力增强。因此，氯离子腐蚀是主要原因。根据情况分析，阀体采用WCB，阀座采用三元乙丙胶，蝶板与阀杆采用SAF2507双相不锈钢。材料改进后的阀门使用两个周期至今完好。经了解，该系统核电站部分海水系统阀门的蝶板也选用了双相不锈钢。
    6.2 实例2
    某海域核电站DN350和DN400海水衬胶蝶阀，其蝶板为铝青铜，使用一个周期后，蝶板冲刷严重，后采用阀门过流部分涂刷陶瓷涂料，效果较好。在另外一个同类系统阀门阀体采用不锈钢，过流部分包氯丁胶，效果较好。
    7 结语
    双相不锈钢作零部件应严格按照通过验证的锻造工艺、铸造工艺和热处理工艺生产。采用涂刷陶瓷涂层，应严格按涂料施工工艺规程进行，并考虑各工序的间隔时间和施工温、湿度控制。如采用包胶方式应考虑生产工序和转角处工艺处理。    
    某些地区海水氯离子含量较低，泥沙含量高，海水温度不高。对于≤DN300的海水蝶阀，建议阀体选用碳钢，阀座采用氯丁橡胶或三元乙丙胶，蝶板和阀杆均选用双相不锈钢，蝶板和阀杆采用无销连接，减少泄漏点。对于＞DN300的海水蝶阀，建议采用过流部分和蝶板涂陶瓷涂料，阀杆和阀座采用双相不锈钢，密封圈采用特种氯丁橡胶或三元乙丙胶，安装在蝶板上，维修更换方便。
    某些地区海水氯离子含量较高，泥沙含量较低，海水温度较高。对于＞DN1200的海水蝶阀，建议阀体和蝶板采用衬橡胶或涂陶瓷涂料，阀杆和阀座采用双相不锈钢，密封圈采用特种氯丁橡胶或三元乙丙胶，安装在蝶板上，维修更换方便。对于≤DN1200的海水蝶阀，建议阀体选用碳钢，阀座采用特种氯丁橡胶或三元乙丙胶，蝶板和阀杆均选用双相不锈钢，蝶板和阀杆采用无销连接，以减少泄漏点。