乏燃料贮存格架锈蚀案例分析

乏燃料贮存格架锈蚀案例分析

张龙 1 ， 齐寰宇 2

1. 上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233； 2. 国核示范电站有限责任公司 山东 264308

摘 要： 乏燃料贮存格架为核电厂装换料系统的主要设备，主要用于存放乏燃料组件，提供足够的辐射屏蔽，保证乏燃料余热排出，防止燃料受到损坏和达到临界。本文主要介绍了某三代核电机组乏燃料贮存格架在现场安装调试期间发生的锈蚀问题，并通过对其锈蚀的原因进行分析及实验验证，得出乏燃料贮存格架的焊接工艺与锈蚀之间的因果关系，为后续核电项目的乏燃料贮存格架生产工艺提供借鉴。

关键词： 乏燃料贮存格架；锈蚀；焊接氧化物

中图法分类号： 410.99 文献标志码：[J]

_{Case Analysis on Spent Fuel Storage Racks Corrosion}

_{Zhang Long1，Qi Huanyu2}

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co. LTD, Shanghai 200233, China;

2.State Nuclear Power Demonstration Plant Co.LTD, Shandong 264308, China;)

Abstract: Spent fuel storage rack is one of the main equipment in fuel handling system. The basic function of the spent fuel storage racks is to store spent fuel assemblies, in a configuration that provides sufficient radiation shielding and heat removal and protects them against damage and inadvertent criticality. This article mainly describes the spent fuel storage racks corrosion issue happened in one advanced plant during construction and commissioning period. After cause analysis and experimental verification, it is found that the welding process is the main cause of the corrosion issue. This article can provide referential significance for following racks manufacturing.

Keywords：spent fuel storage rack; corrosion; weld oxide

0 前言

核燃料贮存格架是装换料系统的重要设备，其主要作用是用于存放乏燃料组件，提供足够的辐射屏蔽和余热排出功能，防止燃料受到损坏和达到临界。本文所述三代核电机组乏燃料贮存格架包含两种类型共8 个格架，文章主要介绍了其在现场安装调试期间发生的锈蚀情况，并对锈蚀发生的原因进行分析和实验验证，得出格架焊接工艺与锈蚀之间的因果关系，为其后续制造过程提供支持，以降低后续项目建造阶段发生锈蚀的风险。

1 案例分析

1.1案例概述

某核电厂建造阶段首次乏燃料池进水排空后，发现乏燃料贮存格架存在一定程度的锈蚀，利用不锈钢丝刷及丙酮溶液对锈蚀处进行处理，直至基材表面露出金属光泽。处理完成后选取部分单元格依据ASTM A380进行了16小时的浸润实验，干燥8小时后未发现锈蚀再次产生。40天后乏燃料池再次进水，使乏燃料格架完全浸没于水中。进水1天后乏燃料池第二次排水，从乏池排水后乏燃料格架露出水面开始，发现燃料格架开始发生锈蚀，伴随露出空气后时间的增长锈蚀逐步加重，最终在2天后趋于稳定。使用同样的除锈方法对锈蚀进行处理，后续建造阶段再未出现锈蚀情况。

图 1 乏燃料贮存格架锈蚀

Fig 1 Spent fuel storage racks corrosion

1.2原因分析

1.2.1锈蚀部位统计分析

对乏燃料贮存格架两次共出现的107处锈蚀部位进行统计，发现其中有105处锈蚀发生在焊缝背面。因此本文主要针对这些焊缝背面的锈蚀进行分析，通过分析得出其分布主要可以总结为以下两种类型：

1）单元格内部的围板基材表面发生锈蚀，锈蚀区域背面存在围板与连接板或加强板的焊缝。

类型1格架单元格通过围板折弯形成，单元格与单元格之间通过连接板焊接相连。单元格内部围板基材表面发生锈蚀，锈蚀区域背面存在围板与连接板的焊缝，如图 2所示；类型2格架单元格通过围板折弯形成，相邻单元格共享同一围板，围板与格架外加强板之间焊接固定。单元格内部围板基材表面发生锈蚀，锈蚀区域背面存在与围板与加强板的焊缝，如图 3所示。

图 2 类型1格架单元格内围板表面锈蚀

Fig 2 Corrosion on the enclosing plate of type I rack cell

图 3 类型2格架单元格内围板表面锈蚀

Fig 3 Corrosion on the enclosing plate of type II rack cell

2）单元格外部的连接板基材表面存在锈蚀，锈蚀区域背面存在连接板与围板的焊缝，个别焊缝存在熔穿，如图 4所示。

图 4 单元格外部连接板表面锈蚀

Fig 4 Corrosion on the meeting plate out of rack cell

1.2.2锈蚀机理分析

通过对比两次锈蚀发生的部位，第一次经过除锈处理的地方未再次出现锈蚀，第二次除锈处理之后格架也未再次出现锈蚀，即只要将锈蚀及基材表面的某些物质完全去除直至露出基材，锈蚀的情况就不会再发生。同时也表明，是附着在基材上的某些物质导致了锈蚀的产生。而附着在基材上的物质来源只有两处：1）焊接过程中产生在基材及熔敷材料表面的物质；2）外来污染物。

在第二次排水锈蚀发生后，对乏燃料贮存格架进行了清洁度检查，检查结果满足要求。同时，对乏池第二次充水除盐水水质的分析表明水质满足要求。所以，排除外来污染物导致格架修饰的可能，判断导致锈蚀的原因为：焊接过程中在基体及熔敷材料表面产生的某种物质，在满足技术要求限制内的污染物含量下，可在除盐水以及空气环境中发生锈蚀。

考虑在焊接过程中焊缝背面所处的环境，若在焊接过程中没有保护气体的情况下，会由于焊接的热输入不同存在不同程度的焊接氧化物。而焊接氧化物，即不锈钢材料在使用诸如GTAW或GMAW这种需要惰性气体做保护的焊接工艺时，常在焊缝背面由于高温以及无惰性气体保护而形成的一层较薄的残留氧化物，若这些氧化物在焊后没有完全去除的话，在特定的环境中有产生锈蚀的可能。

2 实验验证

针对上述焊接氧化物导致锈蚀发生的假设，乏燃料贮存格架供应商在实验室中根据实际格架的制造工艺加工试件并在焊缝背面提取试样，通过对试样的金相试验分析，证实焊缝背面的基材表面出现了焊接氧化物。通过成分分析得到结果如表1及图 5，这些氧化物中的铬的含量为3.2%，远小于不锈钢铬成分要求的13%，因此这些氧化物已不具备不锈钢的特性。

表1 试样焊缝背面EDS谱分析化学元素占比

Table 1 Chemical contents of sample from weld specimen back

图 5 试样焊缝背面EDS谱分析

Fig 5 EDS spectrum of sample from weld specimen back

通过以上的案例分析及实验验证，得出此核电乏燃料贮存格架发生锈蚀的原因，正是由于无保护气体，焊缝背面基材由于高温产生焊接氧化物，或焊缝有熔穿，熔融物在空气中发生氧化。而支持格架焊接的制造文件中，对焊缝背面是否使用保护气体未作规定，对焊后焊接氧化物是否去除也未作规定。这些焊接氧化物铬含量达不到不锈钢标准，因此在湿润、富氧的环境中导致锈蚀的产生。

3 结论

本文以某三代核电现场乏燃料贮存格架发生的锈蚀为案例，对锈蚀产生的原因机理进行分析，并通过试验验证了原因机理的准确性。揭示了乏燃料贮存格架焊接氧化物与其锈蚀之间的直接关系，由此可提出对后续乏燃料贮存格架的焊接工艺可供借鉴的经验。使用惰性气体对焊缝背面的基材进行保护，焊接完成后对基材表面的焊接氧化物进行去除，可以大大降低后续格架发生锈蚀的风险，提高设备运行的可靠性和电厂的安全性。

参考文献：

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[2] 郑日水．不锈钢焊缝和热影响区锈蚀的现象原因分析和措施[J]. 焊接技术, 2003, 32(6):60-61.

[3] ASTM A380. Standard Practice for Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment, and Systems [S].

[4] 石红. 乏核燃料贮存格架地震及组件跌落事故安全分析[D].北京：北京化工大学，2012.

收稿日期：2020-12-03

基金项目：

作者简介：张龙（1988-），男，工程师，硕士研究生，核电厂建造施工技术管理