304L不銹鋼疏水管焊接接頭的腐蝕疲勞行為

2019-09-04 09:16:06邊春華劉洪群2王云偉

腐蝕與防護 2019年8期

邊春華，張維，劉洪群2，王云偉，文杰

(1. 中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

奧氏體不銹鋼因其優秀的力學性能和耐腐蝕性能，廣泛應用于能源、電力、化工等領域，核電站中的大量管道，特別是苛刻服役環境(如高溫高壓水、海水系統等)中的管道也是由奧氏體不銹鋼制備的[1-5]。疏水管在核電站中承擔輸送冷卻劑的作用，其一般長度較長，需要焊接成型，然而焊接接頭對管道的開裂有重要影響。腐蝕疲勞和空泡腐蝕是疏水管常見的腐蝕現象，國內外多個核電廠均出現過因疏水管開裂導致冷卻液泄漏的事故。

腐蝕疲勞是在交變應力和腐蝕介質的共同作用下形成裂紋及擴展的現象，它既不同于應力腐蝕破壞也不同于機械疲勞，同時也不是腐蝕和機械疲勞兩種因素作用的簡單疊加[6-8]。腐蝕疲勞的發生不需要特定的腐蝕系統，在不含任何特定腐蝕性離子的蒸餾水中也能發生，而且幾乎所有的金屬材料都有發生腐蝕疲勞的可能性，在腐蝕環境中材料沒有疲勞極限，即使在很小的應力變化下也可能發生，應力的來源包括殘余應力、系統中的震動應力、工作應力等。因此，腐蝕疲勞的發生非常廣泛，一旦有腐蝕裂紋萌生，在很短的時間內材料就會發生斷裂[9-11]。

管道內流體流速達到一定程度后，常常會引起空泡腐蝕。空泡腐蝕是一種氣蝕，在液體與金屬材料之間相對速度很高的情況下，氣體在金屬表面的局部區域(低壓區)形成空穴或氣泡，繼而迅速破滅而造成的一種局部腐蝕。空泡腐蝕時，金屬表面空穴或氣泡的形成和破滅極其迅速。空穴或氣泡破滅時會產生強烈的沖擊波，壓力可達幾百兆帕，在這樣巨大的機械應力作用下，金屬表面耗損，表面保護膜遭到破壞，形成蝕坑。蝕坑形成后，粗糙不平的表面又成為新生空穴或氣泡的核心[12-17]。同時，蝕坑處產生應力集中，促進金屬表面層的材料損耗。此外，在空穴或氣泡破裂時，沖擊波還會引起管道震動，造成周期性應力，引起管道的疲勞失效。

疏水管在核電廠中的排布非常復雜，焊接接頭是彎管和直管之間主要的鏈接方式，但是焊縫屬于鑄造組織，常存在組織疏松、枝晶等缺陷，是整個管道的薄弱環節，因此焊接接頭常常會早于管道發生開裂[18-21]。

本工作以國內某核電廠服役中發生開裂的兩疏水管道為研究對象，利用金相顯微鏡對焊縫處已萌生的裂紋進行觀察，用掃描電鏡對斷口形貌進行了詳細分析，同時利用X射線衍射儀對管道內壁的氧化物覆蓋層進行分析。最后，利用Ansys軟件模擬疏水管中流體經過時對管壁的影響，綜合分析得出疏水管失效的原因。

1 試驗

試驗用材料為某核電廠兩根失效的疏水管(焊接接頭處開裂)，如圖1所示，管道內介質為100 ℃左右的熱水，管道材料為304L不銹鋼，化學成分如表1所示，正常的基體組織如圖2所示。

從失效管道的焊接接頭處用線切割取金相試樣，切割時保證焊縫的完整性，然后打磨拋光，用去離子水和酒精清洗備用；用王水擦拭侵蝕處理過的金相試樣，再用清水清洗，在金相顯微鏡下對焊接接頭進行金相檢驗。用掃描電鏡觀察失效管道斷口及管道內壁焊接接頭處的微觀形貌。用能譜儀對斷口腐蝕產物的化學成分進行分析，用X射線衍射儀(XRD)對管道內壁腐蝕產物進行物相分析。

表1 失效疏水管的化學成分(質量分數)

(a) 一號管

(b) 二號管

圖2 304L不銹鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 304L stainless steel

2 結果與討論

2.1 裂紋形貌

從圖3和圖4中可以看出:兩失效管道彎管和直管焊接接頭處均出現了開裂現象，裂紋從焊趾處即基體材料與焊縫連接處萌生；高倍下可見，焊縫組織均為典型的鑄造組織，晶粒粗大，有凝固枝晶。

(a) 彎管焊接接頭，低倍

(b) 直管焊接接頭，低倍

(d) 直管焊接接頭，高倍

(a) 彎管焊接接頭，低倍

(b) 直管焊接接頭，低倍

(d) 直管焊接接頭，高倍

2.2 斷口形貌

從圖5和圖6中可以看出:兩失效管道彎管和直管斷口呈解離狀，為非韌性開裂；局部放大后,斷口中多處區域均可見典型的疲勞條帶，說明管道開裂是由疲勞引起的；兩管道斷口的有些區域表面被腐蝕產物覆蓋，無法觀察到斷口的原本形貌。

(a) 彎管斷口，低倍

(b) 直管斷口，低倍

(d) 直管斷口，高倍

(a) 彎管斷口，低倍

(b) 直管斷口，低倍

(d) 直管斷口，高倍

2.3 腐蝕形貌及腐蝕產物

從圖7中可以看出:開裂后管道內壁在焊縫處出現了大量腐蝕坑，部分區域腐蝕坑非常密集，幾乎連在一起，且部分腐蝕坑深度很深。

對斷口區域的腐蝕產物進行能譜分析，結果如表2所示。從表2中可以看出，斷口中富含氧元素，即有大量氧化物形成，特別是一號管，氧質量分數最高達20%。

對二號管道內壁進行物相分析，結果如圖8所示。結果表明，內壁腐蝕產物主要成分為Fe2O3，檢測到的304不銹鋼為管道基體材料。

(a) 一號管，低倍

(b) 一號管，高倍

(d) 二號管，高倍

表2 兩失效管道斷口腐蝕產物的EDS分析結果(質量分數)

圖8 二號管內壁的XRD譜Fig.8 XRD pattern of inner wall of pipe No.2

3 分析與討論

開裂的管道為國內某核電廠在役管道，管內介質為水和水蒸氣兩相混合體，溫度為80～120 ℃，水由高到低自然流動，管道未設置增壓泵，水位落差約5 m。據反饋，該管道在投入使用幾個月后就出現了泄漏現象，用手輕拍管道，管道會產生輕微晃動，據此推斷:當管內水流流經時，管道會發生震動。

為了模擬管道服役過程中的受力情況，對失效的疏水管進行數字建模，采用Ansys分析系統和氣、液兩相流體專用分析軟件對管壁受力情況進行數字模擬分析。分析時邊界條件設定為:平行管中的液相水占管截面的3/4，氣相水蒸氣占管截面的1/4；管內介質溫度為100 ℃；重力方向為x正方向，重力加速度為9.8 m/s2。

模擬結果(見圖9)顯示:隨著管內液相流速的增大，水平管內壓力也隨之升高，同時在彎管區域出現明顯的低壓區域；圖中顏色越深代表管道受到的壓力越大，可以看出，在流速為1 m/s時，彎管部位壓力較小，但當流速增加至2 m/s，彎管焊接接頭周圍壓力較大。據現場數據可知，二號管內流體流速可達到5 m/s，此時管道受到就壓力更大，且疏水管中的水流會周期性變化，導致焊接接頭處受力也隨之發生周期性變化，造成周期性應力加載。管道失效開裂的位置為焊接接頭處，這與模擬得到該區域的應力最大的結論相吻合。

從開裂焊縫的斷口可知，兩失效管道應屬于疲勞斷裂，通過模擬可知管道在服役時會受到周期性加載，因此該管道在服役過程中可能發生疲勞斷裂。此外，在斷口上發現了腐蝕產物和疲勞條帶，說明該管道焊縫的開裂應歸因于腐蝕疲勞開裂。該管道發生腐蝕疲勞的原因與管內流體通過時引起的空泡腐蝕密切相關。一方面，空泡腐蝕會在疏水管內壁形成大量的腐蝕坑，導致應力集中。另一方面，空穴或氣泡發生破裂時，會產生強烈的沖擊波，造成管道的震動，從而形成周期性的循環應力加載，并最終引起腐蝕疲勞的發生。由空泡腐蝕引起腐蝕疲勞的案例一般在艦船的螺旋槳上發生，由于其惡劣的工作環境，螺旋槳常常會因海水發生空泡腐蝕，一旦發生空泡腐蝕，腐蝕疲勞也會變得更容易。在常用的金屬材料中，碳鋼、不銹鋼、銅合金等均有發生空泡腐蝕和腐蝕疲勞的現象[22-25]。

(a) 1 m/s

(b) 2 m/s

該疏水管道的泄漏具有普遍性特點，泄漏發生于不同的管線，出現泄漏的時間長短不一，且所有的裂紋均出現在焊接部位，說明泄漏跟焊接質量有關。由于焊接質量不佳，焊縫及兩側母材的組織及顯微硬度均存在差異，導致其電極電位不同，在電解質環境中，焊縫和母材之間會形成電偶，容易產生電化學腐蝕。較高的焊接下榻會產生應力集中，引發疲勞裂紋源。管道服役過程的受力情況模擬結果表明，焊接下榻附近會產生明顯的負壓區域，液相介質流過時，在其附近引發空泡腐蝕。

空泡腐蝕產生的凹坑形成應力集中點，可誘發裂紋源，同時空泡爆破時產生的巨大沖擊波可造成管道振動。特別是當空泡爆破時產生的振動頻率和管道的固有頻率成整數倍時，管道將發生共振，振幅會急劇增大，管道在很短的時間內將有可能發生穿透型開裂，導致管內介質泄漏。通常情況下，不銹鋼表面有一層鈍化膜，環境介質中的腐蝕性物質不能接觸到不銹鋼基體發生腐蝕。空泡爆破會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使得金屬基體直接和水環境接觸，并和水中的溶解氧產生氧化腐蝕，腐蝕產物的形成又阻止了介質和基體的直接接觸，相當于材料表面形成了新的“保護膜”，隨后該過程反復進行，便形成了密集的、呈海綿狀的空泡腐蝕坑。腐蝕產物的形成過程為:材料表面鈍化膜破裂，水中的溶解氧首先和基體中活性較高的鐵元素發生反應，生成FeO，分布于剛萌生的裂紋或者裂紋尖端；因疲勞裂紋的反復張開和閉合，FeO和水中的溶解氧發生進一步氧化反應形成Fe2O3，腐蝕產物隨著流體轉移到裂紋的下游，或者因流體泄漏被帶到管外壁。

綜上所述，在服役過程中，該疏水管上產生空泡腐蝕的焊縫區域先萌生疲勞裂紋，產生穿透型疲勞開裂導致泄漏；而未產生空泡腐蝕的區域，會在應力集中明顯的焊接下榻和母材交界或腐蝕坑處萌生疲勞裂紋，因管線的振動而發生腐蝕疲勞開裂。

4 結論

(1) 兩失效疏水管道均為腐蝕疲勞開裂，裂紋均在焊接接頭的焊趾處萌生，且均為多源開裂。

(2) 焊接接頭部位多處發生空泡腐蝕。這是因為流體經過焊接下榻時也會在其附近形成負壓區，導致空泡腐蝕。

(3) 空泡腐蝕產生的凹坑處應力集中，成為疲勞裂紋源；空泡爆破時產生的巨大沖擊應力造成管道振動，促進腐蝕疲勞開裂。