Análisis del óxido en la superficie de sellado de válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear

Las válvulas de globo se utilizan ampliamente en sistemas de tuberías de centrales nucleares debido a su mínimo desgaste mecánico en la superficie de sellado y su fácil mantenimiento. Sin embargo, las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear en centrales nucleares presentan una oxidación notable en la superficie de sellado del revestimiento, lo que ha comprometido su calidad.

Se analizan las causas de la oxidación en la superficie de sellado del revestimiento de las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear desde tres aspectos principales:

Un DN15 válvula de globo de acero inoxidableSe seleccionó el material (Z2CND18-12NS) y se analizó la composición química del cuerpo de la válvula y la superficie de sellado mediante un espectrómetro y un análisis final. Los resultados de la prueba indican que la composición química del cuerpo de la válvula y la superficie de sellado cumple con los requisitos de RCC-MM3301 y no se han observado cambios adversos.

La composición química del cepillo de acero para rectificado se analizó mediante un espectrómetro y se realizó un análisis final. Los resultados del análisis indican que está fabricado con acero inoxidable dúplex austenítico y martensitico Fe-Cr-Mn. El uso de cepillos de acero inoxidable para rectificar válvulas de acero inoxidable cumple con los requisitos de las normas RCC-M. Los cepillos de acero inoxidable fabricados con el mismo material también se utilizan para el rectificado manual en la producción de válvulas similares, y no se ha observado oxidación en la superficie de sellado. El análisis de la composición química muestra que el cepillo de acero inoxidable tiene un alto contenido de Mn, lo que puede mejorar la resistencia al desgaste del material.

El revestimiento de la superficie de sellado de la válvula de globo de acero inoxidable de grado nuclear se ha sometido a una evaluación del proceso de soldadura, cuyo informe cumple con los requisitos de la norma RCC-M. Los resultados de la inspección metalográfica de la superficie de sellado muestran que la estructura metalográfica de la zona de soldadura por fusión es buena, la zona afectada por el calor es principalmente austenita y contiene cristales columnares típicos formados por enfriamiento. Esto indica que el proceso de soldadura por fusión de la superficie de sellado es normal y que la estructura metalográfica después de la soldadura es adecuada. Por lo tanto, se concluye que se descarta la influencia del proceso de soldadura en la calidad de la superficie de sellado.


Figura 1 Estructura metalográfica de la zona de soldadura por fusión de la superficie de sellado con un aumento de 100 veces

Influencia del rectificado en la microestructura y composición química de la válvula
Se seleccionaron muestras del sustrato del cuerpo de la válvula para su análisis mediante microscopía electrónica de barrido y análisis de la composición química tras el rectificado manual con cepillo, el rectificado eléctrico con cepillo y el rectificado con muela (Figura 2). Los resultados del análisis muestran que la superficie del rectificado manual es relativamente lisa, la del rectificado eléctrico con cepillo es moderadamente rugosa y la del rectificado con muela es la más rugosa.

Tenga en cuenta que las posiciones marcadas con letras y el área de la línea blanca son las áreas de detección de la composición química.


(a) Rectificado con cepillo eléctrico (b) Rectificado con muela (c) Rectificado con cepillo manual
Figura 2 Morfología microscópica de la superficie del sustrato de la válvula tratada mediante diferentes procesos de pulido.

Al comparar la composición química del cuerpo de la válvula, la composición química superficial de la muestra, tras el rectificado con muela y el rectificado manual, es prácticamente la misma que la del material del sustrato, mientras que el contenido de Mn en la superficie de la muestra tras el rectificado con cepillo eléctrico aumenta significativamente. Al comparar la composición química del cepillo de acero, el contenido de Mn en las protuberancias superficiales de la muestra tras el rectificado con cepillo eléctrico es similar al del cepillo de acero eléctrico. Esto indica que el rectificado con cepillo eléctrico de alta velocidad destruye la película de pasivación de la superficie del material e incrusta pequeños residuos del cepillo de acero en la superficie de rectificado.

Con base en el entorno de trabajo real de las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear en centrales nucleares, se seleccionó un líquido corrosivo de Na₂SO₄ + NaCl para simular las condiciones de corrosión atmosférica. Se seleccionaron muestras tratadas mediante cuatro procesos de rectificado (rectificado manual con cepillo, rectificado eléctrico con cepillo, rectificado con muela y rectificado eléctrico con cepillo seguido de granallado) para simular los sustratos de las válvulas. Las muestras se sumergieron en una solución de Na₂SO₄ + NaCl durante 72 horas para simular las pruebas de corrosión atmosférica (Figura 3). Los resultados de la corrosión mostraron la aparición de manchas de óxido en las muestras de sustrato de la válvula tratadas con rectificado eléctrico con cepillo, mientras que no se observaron manchas de óxido en las muestras tratadas con otros procesos de rectificado. Esto indica que el rectificado eléctrico con cepillo es una de las principales causas de la oxidación en la superficie de sellado de las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear.

(a) Rectificado manual con cepillo (b) Rectificado eléctrico con cepillo (c) Rectificado con muela (d) Granallado con cepillo eléctrico

Figura 3 Macromorfología de muestras de cuerpos de válvulas tratadas con diferentes procesos de rectificado después de la corrosión atmosférica simulada

La superficie original de la superficie de sellado y las muestras tratadas con tres procesos de rectificado (rectificado manual con cepillo, rectificado eléctrico con cepillo y rectificado con rueda) se sumergieron en una solución de Na₂SO₄ + NaCl durante 72 horas para simular pruebas de corrosión atmosférica (Figura 4). Los resultados de corrosión muestran la aparición de manchas de óxido en las muestras tratadas con rectificado eléctrico con cepillo, mientras que no se observaron manchas de óxido en las muestras tratadas con otros procesos de rectificado. Esto indica que el rectificado eléctrico con cepillo es una de las principales causas de la oxidación en la superficie de sellado de la válvula de globo de acero inoxidable.

(a)Superficies originales (b)Afilado manual con cepillo (c)Afilado eléctrico con cepillo (d)Afilado con muela

Figura 4 Macromorfología de la superficie de sellado tratada mediante diferentes procesos de rectificado después de la corrosión atmosférica simulada

Al analizar la composición química del cuerpo de la válvula y la superficie de sellado, se observó que no habían sufrido cambios adversos. Asimismo, se determinó que el cepillo de acero utilizado para el rectificado está compuesto de acero inoxidable dúplex austenítico y martensita Fe-Cr-Mn y no contamina la válvula de globo de acero inoxidable. Mediante el análisis del proceso, se descartó la influencia del proceso de soldadura en la calidad de la superficie de sellado. Se observaron manchas de óxido en las muestras tratadas con rectificado eléctrico con cepillo, mientras que no se observaron manchas de óxido en las muestras tratadas con otros procesos de rectificado, incluyendo las tratadas con rectificado eléctrico con cepillo seguido de granallado. Esto indica que el rectificado eléctrico con cepillo es la principal causa de óxido en la superficie de sellado de la válvula de globo de acero inoxidable. El rectificado con cepillo destruye la película de pasivación y transfiere parcialmente pequeños residuos del cepillo de acero, que se incrustan y se adhieren a la superficie de rectificado, afectando la repasivación del sustrato de la válvula. En el ambiente húmedo de las centrales nucleares costeras, los residuos del cepillo de acero interactúan con el sustrato de la válvula, provocando óxido.

Para solucionar el problema de la oxidación en la superficie de sellado de las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear, se mejoró el proceso de rectificado. La sección de cierre del arco de la superficie de sellado y la superficie de la costura de soldadura se pulieron con papel de lija de 120# o una rueda de tela de 60#. Durante el rectificado, se debe asegurar una transición suave de la superficie y evitar marcas visibles. El papel de lija y el paño suave utilizados para el rectificado no se pueden reutilizar. Se deben usar guantes al rectificar con papel de lija para evitar el contacto directo de las manos con los productos y evitar su contaminación. Tras el rectificado, decapado, pasivado y limpieza, se debe verificar visualmente si aún quedan capas de decoloración por oxidación de la soldadura o defectos en la superficie de sellado. Si se detectan estas dos condiciones, se debe rectificar y limpiar con papel de lija de 60# hasta que se eliminen, y la inspección visual será válida. Las válvulas tratadas con el nuevo proceso de rectificado se sumergieron en una solución de Na₂SO₄ + NaCl durante 72 horas en una prueba de corrosión atmosférica simulada, sin detectarse óxido. Después de adoptar el nuevo proceso, no se encontró óxido en las válvulas de globo de acero inoxidable de grado nuclear utilizadas en las plantas de energía nuclear.

Con el rápido desarrollo de la industria nuclear, diversos fabricantes de válvulas también exploran activamente cómo mejorar el proceso y la eficiencia del trabajo. Sin embargo, al mismo tiempo que exploran y mejoran el proceso, también deben fortalecer las pruebas y la evaluación para evitar que el proceso utilizado afecte la calidad de los equipos de las centrales nucleares.