美国核反应堆的平均使用年限为39年，许多核电站预计将在未来几年继续运行。许多核泵，特别是那些积极使BETVICTOR体育官网用的核泵，现在已经达到或超过了最初的设计寿命，并且正在经历退化，在日常维护中很难修复。在服务和循环水泵的情况下，特别是在海水或半咸水中，最近的经验表明，腐蚀程度比预期的更严重。BETVICTOR体育官网这不仅对泵的维修提出了挑战，而且还对主要压力边界组件的完整性提出了质疑，特别是在地震事件期间或之后BETVICTOR体育官网。
服务水和循环水应用通常使用大型垂直涡轮或轴向混流泵(液压研究所VS1或VS3)从附近的河口、河流或水库循环水冷却工厂部件。BETVICTOR体育官网服务水和/或基本服务水系统对于工厂运行及其在“设计基础事件”场景下安全关闭的能力至关重要。循环水系统不被认为是“与安全相关的”，但仍然在核电站的运行中发挥着至关重要的作用。由于腐蚀导致的日常维护中的计划外维修和并发症是昂贵的，并且不利于工厂的运行。
对于许多美国工厂来说，主要的冷却水源是海水和/或微咸水，这对泵和管道系统构成了恶劣的使用条件。BETVICTOR体育官网除了自然盐度之外，由于使用氨肥产生的氮素径流等人为因素，自设备最初安装以来，水质和微生物活性可能已经发生了变化。众所周知，水质问题和微生物活性的增加是老化泵和工厂设备退化的原因。BETVICTOR体育官网
施工原始材料
应用水泵BETVICTOR体育官网
许多应用于BETVICTOR体育官网供水和相关应用的泵最初使用铝青铜建造，以承受苛刻的使用条件。铝青铜合金具有优异的耐磨、耐磨损和耐腐蚀特性，同时提供高强度。与其他现成的耐腐蚀合金(如奥氏体不锈钢)相比，选择更高强度的铝青铜通常可以降低材料厚度，降低垂直泵应用的总体成本。这些泵通常由BETVICTOR体育官网大型铸件和预制部件组成，可以实现可观的节省。与最初建造时许多价格相似的合金相比，铝青铜的选择也提供了增强的耐海水腐蚀和抗生物污染的能力。
对于水应用，高合金，两相(双相)铝青铜，如合金C95400，通常被使用。这些合金含有8%至11%的铝，由于快速冷却时微观结构中形成了坚硬的、体心立方的“β”相，因此具有更高的强度。其他合金元素如铁和镍进一步提高强度和耐腐蚀性。尽管这些合金具有理想的物理和机械性能，但由于其固有的两相微观结构，这些合金可能容易受到一种称为脱uminification的选择性相腐蚀。
循环水泵BETVICTOR体育官网
对于循环水应用，主要铸件的结构材料通常指定为灰口铸铁，如美国测试和材料协会(ASTM) A48 CL30和ASTM A278 CL30。铸铁以较低的成本提供合理的机械强度，使它们适用于非常大的部件。然而，灰口铸铁受到选择性相腐蚀，即石墨腐蚀。在某些情况下，奥氏体铸铁(如ASTM A436 Type 2)被用于减轻服务中的腐蚀和侵蚀。奥氏体铸铁通常被称为Ni-Resist，包括镍和铬的添加物，以提高韧性，耐腐蚀性和磨损性能超过灰口铸铁。
选择性相腐蚀
选择性相腐蚀，也称为选择性浸出或脱合金，是在某些合金中发现的一种腐蚀机制，这些合金的微观结构中相或元素之间的高贵度(电化学电位)不同。合金中较不高贵的相易发生优先腐蚀，导致合金中的某些元素溶解。选择性腐蚀更活跃的相(s)留下多孔材料，降低抗拉强度和延展性。简单地说，某些元素从微观结构中腐蚀出来，在材料中留下空隙，降低了其整体强度。
核管理委员会(NRC)意识到植物中的选择性相腐蚀问题(特别是石墨腐蚀和脱uminification)，并在NRC文件“通用老化经验教训(GALL)报告- NUREG 1801”中解决了植物寿命延长的其他强制性要求。为了支持这一指导方针，电力研究所(EPRI)发布了几篇论文，如“EPRI报告3002008013:可用的选择性浸出无损评估技术的评估;技术评论”和“EPRI报告3002013168:无损评估:用于选择性浸出检测的超声检查指南”，以帮助检查和检测这些问题。所有场址都有文件记录的解决选择性浸出问题的计划，通常包括阴极保护系统和涂层制度的选择;然而，考虑到在役设备的使用年限，选择性相腐蚀仍然会出现问题。
Dealuminification
在铝青铜的情况下，选择性相腐蚀采取脱uminification的形式，其特征是铝从金属中选择性浸出。双相合金的脱uminification是由于在富铜的α相和富铝的β或γ 2相之间形成了电解槽;较不高贵的富铝相腐蚀。
通常，易受脱铝作用的成分是那些具有连续或半连续的gamma 2相网络的成分，其比beta相具有更高的腐蚀可能性。gamma 2相在大约1100 - 1000华氏度的温度范围内缓慢冷却时形成。在材料制造期间和焊接修复后适当的热处理过程可以促进β的形成并限制γ 2的形成。通常采用固溶处理，然后退火或回火，以促进组织，减少选择性相腐蚀的敏感性。
铸件和焊接件
脱发光现象在长时间暴露在盐水环境中的铸铝青铜组件中最为普遍。大型立式泵的铸造部件通常包括叶轮、扩散器、吸盘和排出弯头。BETVICTOR体育官网与其他材料形式相比，铸件和焊接件在制造过程中出现缓慢冷却的可能性更大，从而形成gamma 2。铸件中较大和较不精细的晶粒结构也有助于磁化率，并增加γ 2连续网络的可能性。一个问题是，一些铝青铜铸造规范，如ASME SB148 C95400，包括热处理的规定，以提高耐腐蚀性和强度，但没有明确要求。仔细审查材料规格和适当的热处理和冷却速率的处方是降低高合金铝青铜铸件和焊件的脱合金概率的关键。
碳化腐蚀
与脱uminification相似，石墨腐蚀是铸铁中铁的选择性浸出。铁选择性地腐蚀，而连续的石墨薄片保持完整。其机制类似于铝青铜的脱发光作用，是一种选择性相腐蚀:电化学电位的差异在阳极铁和阴极石墨之间创建了一个腐蚀单元，促进铁的优先攻击。石墨腐蚀已被确定为埋地铸铁管道的一个问题，但对于任何活跃地浸泡在电解质(如海水)中的灰铸铁部件也是一个问题。
微生物诱导腐蚀(MIC)和脱合金
经验表明，在海水和微咸水环境中，当再加上微生物诱导腐蚀(MIC)时，脱合金现象会更加普遍。MIC指由微生物的存在引起或加速的腐蚀;微生物活性既能增加腐蚀速率，又能完全改变腐蚀机制。当比较当前的工厂条件和调试时的条件时，水化学的变化，即过去40年氮肥使用增加导致氮水平升高，可能会增加用于工厂冷却水的水体和河口中的微生物活性和MIC。
诊断
为了鉴别和诊断选择性浸出，本文建议采用一次性目视检查结合硬度测试或机械评价技术[4]。
选择性浸出很难仅通过目测来识别，因为它通常不会引起尺寸变化以及微观结构的变化和抗拉强度的降低。然而，更严重的脱发光现象可以在宏观上表现为金属表面的深色铜色区域。酸蚀刻的使用也可以通过目视检查来帮助识别。通过破坏性测试可以更确切地识别脱合金，但这通常不可能诊断在役设备。应该注意的是，选择性浸出可能是局部的，因此如果采用破坏试验，建议从不同地区提取一系列具有代表性的样品。
超声检测
各种行业机构和独立组织已经综述了用于脱合金的超声检测方法的优点，如正常束超声、相控阵超声和飞行时间衍射(TOFD)。最常用的超声检测方法是TOFD，通常需要取材料样品进行检查。这种方法需要精确测量材料厚度，以验证检验结果。
显微镜检查
除了识别现有的脱合金，另一种方法是通过显微蚀刻测试对脱合金的一般敏感性。这种测试通常在采购泵部件时对具有代表性的材料样品进行，但也可以在现有设备的使用期间进行。使用硝酸或稀硝酸铁刻蚀剂和放大，检查铝青铜的微观结构诊断敏感性。连续的共析网络(α + gamma 2)微观结构表明对脱uminification的敏感性，而缺乏连续的共析网络和存在马氏体β相表明风险较低。
压力测试
另一种用于大型立式泵的方法是对单个保压组件进行长时间的低压水压试验。BETVICTOR体育官网该方法可用于检测是否存在通过构件压力边界厚度的连续脱合金网络。压力指示器可以用来监测组件内部的压力，并且可以在一段时间内(通常是几天)监测外部表面，以识别通过材料的任何渗透。这是确定组件保持压力能力的绝对方法，但应该注意的是，这种方法只会检测通过壁厚连续脱合金的情况。通过此测试的组件在整个结构中仍可能存在一定程度的脱合金，这可能会损害部件的完整性。
维修
随着腐蚀机制的发展，对脱合金部件进行维修变得困难。由于去合金区域的多孔结构和合金成分的改变，焊接容易使现有基材坍塌，难以实现充分的堆焊;由于填充金属和浸出基材之间的成分差异，焊缝完整性也有问题。生物残留和腐蚀副产物可以在多孔基金属内部和下方显现，在小袋和空隙中产生杂质。这些杂质进一步复杂化实现充分的焊接修复。
在维修受影响的泵时，这些并发症可能是一个主要问题，因为它们可能会导致维修的意外延误，或无法完全修复。BETVICTOR体育官网为了成功地焊接修复这些区域，需要打磨金属。在严重的情况下，这可能无法实现，因为在腐蚀区域没有声音材料可以磨回。由于无法实现良好的焊接修复，通常只能选择更换完整的部件。
预防材料升级
美国核管理委员会NUREG-1801文件第11节。M33没有提供预防措施的指导，但是它注意到监测水质以控制pH值，腐蚀性污染物的浓度，以及尽量减少溶解氧的处理对减少选择性浸出[4]有效。
防止脱合金最有效的解决方案之一是实施材料升级。一些核电站已经选择用双相不锈钢、316不锈钢和镍铝青铜(Ni-Al-Br)等新材料取代现役水泵的主要铸件和制造工艺。BETVICTOR体育官网
并不总是需要更换泵的所有主要部件来缓解问题。经验表明，有些工厂选择只更换水槽水线以下的材料。由于这些部件大部分时间都在进水中，因此它们面临着最恶劣的环境，而且通常也是暴露在高速水流中的液压部件，这可能会加速腐蚀/侵蚀机制。
下面讨论了一些常见的材料替换，但这不是一个详尽的列表:
双工SS (Alloy 2205, CD4MCu, Alloy2507)
双相不锈钢由于其高强度和高耐腐蚀性是铝青铜的可行替代品。双相组织是指部分奥氏体和部分铁素体的两相组织。与铝青铜和奥氏体不锈钢相比，它们具有优越的强度和耐腐蚀性。双相不锈钢合金还具有很高的抗氯化物应力腐蚀开裂和点蚀性能，使其适用于微咸水和海水应用。CD4MCu (1A合金)是最常见的双相不锈钢铸造形式，已成功应用于某些微咸水应用。
超奥氏体SS (UNS S20910，即XM-19, Nitronic 50等，UNS S32654 / UNS S31254，即654/254 SMO等)
超级奥氏体不锈钢通常比双相不锈钢更耐腐蚀，稍弱，更容易焊接，但通常更昂贵。它们通常用于海水应用中的现代垂直泵。BETVICTOR体育官网在垂直海水泵中使用的最常见的材料包括XM-19 / Nitronic 50和254 / 654 SMO。BETVICTOR体育官网
316年学生
作为奥氏体不锈钢家族的一员，316 SS广泛用于腐蚀性泵。BETVICTOR体育官网它的耐腐蚀性低于双相不锈钢和超级奥氏体不锈钢。它更常用于清洁水的应用，但也可用于微咸或海水。在半咸水或海水应用中，它可能容易发生裂缝腐蚀和点蚀，因此在选择作为替代材料之前，应审查水的化学性质。
Ni-Al-Br(合金C95800, C95500)
镍铝青铜比铝青铜具有更高的耐腐蚀性，是海水应用的常见材料。它具有更高的强度，添加的镍含量降低了脱合金的风险。天然抗生物污染和海洋生长。
符合设计规范的注意事项
对于被指定为USNRC“安全相关”的设备和根据ASME第III节设计和/或盖章的设备，有特定的计算和文件包，需要更新以记录重大更改。泵供应商更新的文件包括泵设计报告、地震分析和材料清单。还需要站点控制的文档更新来记录设计更改。根据原始设计规范的施工年份，可能需要进行额外的调整。例如，SB148 95800 (Ni-Al-Br)没有被包括在ASME 1974版的冬季附录1975中，用于第III部分的使用。这可能要求站点或指定的公司向NRC准备救济请求。在选择维修设备时，与有能力进行详细设计更改以及维修的人合作是有好处的。
结论
服务水泵和循环水泵是核电站的重要组成部分，对核电站的安全至关重要。BETVICTOR体育官网许多现有的泵已经超过了最初的BETVICTOR体育官网设计寿命，在某些情况下，已经开始出现严重的腐蚀和退化。在其他类型的腐蚀中，脱合金是一种值得关注的腐蚀机制，因为它能够在很大程度上不被发现，而不是有针对性的检查。弱化的材料在保持泵内压力方面存在安全隐患，在地震事件发生时，压力会被放大。这种弱化的材料可能会使泵的地震分析失效。
一旦检测到，所讨论的机制就很难焊接修复受影响的部件，特别是大型保压部件，这使得日常维护越来越困难。在日常维护过程中发现大面积的损坏可能会导致短期维护周期的重大问题。受影响的部件通常是主要的压力边界铸件，它们的交货时间很长，如果没有适当的规划，就很难更换。因此，一些发电厂选择用不受脱合金问题影响的替代材料替换铸件和主要部件。由于这些泵的关键和年龄，有一个全面的检查计划来解决这些问题是至关重要的。BETVICTOR体育官网这使工厂能够评估其已安装设备的状况，并在计划维护之前为任何长交货时间项目(如铸件)进行计划，有助于最大限度地减少对停机计划的破坏。
参考文献
- https://www.eia.gov/energyexplained/nuclear/us-nuclear-industry.php
- https://www.copper.org/applications/marine/nickel_al_bronze/pub-222-nickel-al-bronze-guide-engineers.pdf
- https://www.ampcoBETVICTOR体育官网pumps.com/wp-content/uploads/2016/12/WhyNAB_application-series.pdf
- https://www.nrc.gov/docs/ML1034/ML103490041.pdf
- “超声无损检测CU-AL脱合金”。R.罗耶，C.西尔法斯。