蒸汽發生器Incoloy825換熱管泄漏原因分析

齊文寬蔣春宏史偉楊莉

(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室，甘肅 蘭州 730314)

蒸汽發生器是壓水堆核電站蒸汽供應系統的主要換熱設備，其運行工況極其惡劣，因此對管子/管板材質、工藝性能及耐蝕性能要求極高。某蒸汽發生器運行3個月后發現管板與換熱管接頭有液體泄漏，設備返廠進行殼程水壓試驗，發現管板焊縫根部對應的管子內表面處泄漏，泄漏管頭大部分集中在油氣入口。

針對蒸汽發生器管子/管板的泄漏問題，Xu Shugen,Wang Weiqiang和Rongjuan Sui在其論文中均有闡述[1-4]，但研究內容均圍繞奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂(SCC)，該文所論述的換熱管材質為Incoloy825(φ19 mm×2.0 mm/2.5 mm)，Incoloy825屬于Ni-Fe-Cr合金材料，高鎳含量使其具有較好的抗應力腐蝕開裂性能，在許多介質中的耐腐蝕性都很好。管板12Cr2Mo1鍛件堆焊Inconel625。蒸汽發生器工況：殼程介質是除氧水，工作壓力為1.18 MPa,入口/出口工作溫度為104 ℃/190 ℃。管程反應流出物為油氣、氫氣和硫化氫，工作壓力為15.24 MPa，入口/出口工作溫度為251 ℃/220 ℃。為查找蒸汽發生器管子/管板泄漏原因，人工拆除泄漏管子，收集腐蝕產物，運用宏觀檢驗、化學成分分析、顯微分析、掃描電鏡形貌觀察及能譜分析等方法對泄漏管頭進行了全面觀察和剖析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

切開泄漏管頭，管頭內/外壁裂紋形貌清晰，外壁裂紋較寬，初步判斷裂紋從外壁形成，逐漸擴展至內壁(見圖1)。

圖1 裂紋宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在換熱管未開裂位置取樣進行化學成分分析,見表1，同時對拆卸管子時收集的焊縫金屬進行化學成分分析,見表2，成分分析結果均符合ASME標準SB-423和SB-443要求。對殼程介質除氧水進行水質監測，結果見表3。

1.3 顯微分析

在管頭(即焊縫根部)附近取樣，打磨拋光后發現管壁處存在細小、不連續的裂紋，每個小裂紋長度為10～100 μm，斷續組成長度約0.5 cm的裂紋帶，在長5 cm的管壁上出現兩處這樣的裂紋帶，拋光態裂紋形貌如圖2所示。試樣經腐刻后顯示基體組織為γ相，裂紋在基體上主要以沿晶分布為主，也有部分裂紋穿過晶粒繼續擴展，裂紋較寬，內有填充物，如圖3所示。管壁裂紋的宏觀擴展形貌見圖4。管壁外側裂紋較寬(見圖5)，向內逐漸變細，可見裂紋在管外壁形成，并不斷向內逐漸擴展，這與宏觀檢驗結果一致。

表1 管子化學成分分析結果 w,%

表2 焊縫化學成分分析結果 w,%

表3 殼程介質除氧水監測結果

圖2 拋光態裂紋形貌

圖3 裂紋沿晶擴展形貌

圖4 裂紋沿晶擴展形貌

圖5 裂紋從管外壁向內擴展形貌

1.4 裂紋及斷口形貌觀察

掃描電鏡下換熱管內壁組織形貌見圖6。由圖6可以看出，內壁組織晶粒細小，晶粒尺寸集中在10～20 μm，晶界明顯，基體上分布有第二相粒子。圖7是管壁截面靠近外側的裂紋形貌。裂紋從管外壁形成，起裂位置不止一處，是多源開裂，裂紋向內部延伸出現很多分支，存在裂紋的基體組織疏松。1 500 倍下單個起裂位置的形貌見圖8。將換熱管泄漏位置的裂紋打開，觀察斷口形貌，斷口上仍然有裂紋分布(見圖9)，在主裂紋附近分布著向不同方向延伸的二次裂紋，裂紋尖端不尖銳。裂紋從換熱管外壁形成后，向內壁即管子徑向擴展，或沿著管壁即環向擴展。沿管子徑向擴展的裂紋長度若大于管壁厚度2 mm/2.5 mm，則換熱管內部介質將向外滲漏。在更高倍數下觀察斷口形貌，發現斷口表面有疏松層，具有龜裂的泥紋花樣(見圖10)，是典型的腐蝕斷口。

1.5 斷口腐蝕產物微區成分分析

對斷口腐蝕產物進行微區成分分析，結果見圖11和表4。可以看出，被腐蝕斷口上的Cr和Ni元素大大減少，表面有鐵的氧化物形成，還有大量的S元素聚集在斷口表面。

圖6 掃描電鏡組織形貌

圖7 管壁外側裂紋形貌

圖8 管壁外側起裂源位置

圖9 斷口裂紋形貌

2 分析與討論

該Incoloy825換熱管的化學成分符合標準要求，金相組織正常，說明管頭泄漏不是由換熱管的冶金缺陷、熱處理不當引起的。管接頭焊縫的化學成分也符合所選焊材的標準要求，排除焊材用錯的可能性。

圖10 斷口腐蝕形貌

圖11 微區成分分析位置

元素w,%x,%C2.900.20O18.400.39元素w,%x,%S23.760.26Cr1.190.12

裂紋主要集中在管子與管板焊接接頭及其附近，裂紋從管外壁向內部擴展，一旦貫穿管壁就會造成泄漏。另外從掃描電鏡斷口分析可知：斷口具有明顯的腐蝕痕跡，管外壁受到腐蝕而形成裂紋。管子與管板為焊接+脹接結構(焊接起到密封作用，脹接起到固定作用),因管孔加工直徑和管子外徑匹配精度問題或者脹接時管子回彈大于管板等原因，使得部分管子與管孔存在未完全貼合的情況，產生縫隙。殼程介質是除氧水，水質監測結果顯示呈弱堿性(pH值為9.2～9.6)，在使用中，弱堿性介質滲入管子與管孔縫隙，在縫隙處形成不流動液體，再經歷反復蒸發濃縮，形成強堿性環境[5-6]，在高溫(殼程入口/出口工作溫度分別為104 ℃/190 ℃，管頭處承受的是管程介質的溫度251 ℃)和徑向應力作用下，焊縫部位發生堿脆開裂，裂紋細小呈網狀，內部充滿氧化物，沿環向和壁厚方向擴展，最終導致管子泄漏。

已發生堿脆開裂的換熱管仍工作2個月，管程介質油氣、硫化氫及氫氣等泄漏至管子與管孔縫隙，因此裂紋打開后斷面上會聚集大量的硫化物和氧化物。硫化氫、HS-及S2-與管子材質中的鉻、鎳和鉬等元素發生化學反應，介質中的氫氣進一步加劇腐蝕。這種高溫硫化物腐蝕僅發生在已經開裂有硫滲出的位置。

泄漏位置集中在管子與管板焊接接頭及其附近，主要是因為焊接接頭及其附近存在焊接的殘余應力和殘余變形，這給應力腐蝕提供了應力條件[7-9]；另外，起固定作用的脹接工藝不貼合，在管束振動過程中，焊接接頭受的力矩最大[10]；因此最先開裂的位置多在管子與管板焊接接頭及其附近。管板油氣入口處的溫度為251 ℃，出口處的溫度為220 ℃，入口處的介質以較大的速度沖擊流入管程內，而出口處是經殼程介質冷卻、以較小流速流出的，即管板油氣入口處受到較大的沖擊應力，故泄漏管頭大多集中在油氣入口。

3 結 論

(1)該換熱管泄漏主要是因為脹接工藝不當，管子與管孔縫隙處發生堿脆開裂引起的。

(2)開裂后管程介質滲出，在開裂處又形成高溫硫化物腐蝕，腐蝕進一步加劇，最終導致設備停用。