某核電廠制氫系統不銹鋼彎頭失效原因分析及應對措施

馬大海 施建輝 董洪全 吳文華

（陽江核電有限公司 廣東 陽江 529500）

制氫系統為核電廠提供生產所需的全部氫氣，包括為抑制輻照導致的水分解而向核島反應堆冷卻劑系統加入的氫，以及為常規島汽輪發電機組提供冷卻所用的氫。某核電廠發現制氫站某閥門下游彎頭處存在氫氣外泄現象，進一步檢查發現該彎頭存在點狀缺陷，且其附近有褐色銹跡。為確定管道泄漏的原因，本文從宏觀形貌、化學成分、力學性能及顯微組織等方面進行分析，以查明該核電廠制氫系統不銹鋼管失效原因并制定針對性的預防改進措施，提高設備的可靠性，消除潛在安全隱患。

1 失效分析

為確定該核電廠制氫系統不銹鋼彎頭失效原因，對失效彎頭進行了取樣測試分析，具體情況如下。

1.1 宏觀形貌

制氫系統不銹鋼失效彎頭宏觀形貌如圖1 所示。彎頭尺寸為外徑40mm、壁厚3mm。觀察彎頭外表面，失效點位于彎頭內弧一側靠近中線的位置，詳見圖1（a），在失效點附近可見2處較小的點蝕坑。在彎頭外側打磨區，明顯可見部分深褐色銹跡，該處銹跡應為失效處腐蝕產物痕跡，詳見圖1（b）。在彎頭的中部未打磨區同樣可見部分銹跡，但顏色較淺，為典型的不銹鋼在大氣環境下的表面浮銹。觀察彎頭內表面，失效部位有點狀小孔，失效點直徑與外壁側相比較小，其上有堆積點狀腐蝕產物，詳見圖1（c）。

從圖1 可看出，失效處首先在管道外表面發生點狀腐蝕，隨著服役時間的延長，點狀缺陷持續向深度發展，從而形成貫穿性腐蝕孔。該腐蝕發展路徑與彎頭內外表面所處腐蝕環境有直接關聯。彎頭臨近海邊，彎頭外表面長期暴露在海洋大氣環境中，在Cl 元素、水分和充足氧氣環境的作用下，不銹鋼表面易發生點狀腐蝕，隨著點狀腐蝕的深度增加，將形成“氧濃差電池”，進而加速點狀腐蝕向深度發展［1］，而彎頭內表面介質為干燥氫氣，不利于腐蝕的發生，因此最終形成從外向內的腐蝕形貌。

圖1 泄漏彎頭宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對送檢彎頭進行打磨和清洗處理后，采用火花直讀光譜儀對彎頭進行化學成分分析，測試結果見表1。

由表1 可知，送檢彎頭化學元素中Ni 元素含量僅為8.14%，遠低于316L 標準值（12%～15%）的要求，且送檢彎頭成分中不含Mo 元素，而C 元素含量高達0.063%，是316L 標準值上限的2 倍多。對照測試各元素含量，送檢彎頭更符合304材料的化學成分要求，由此可認為，送檢彎頭材料并非設計文件要求的316L不銹鋼，而是錯用為304 不銹鋼，且Cr 含量還未達到304不銹鋼的要求。

表1 彎頭化學成分分析結果（質量分數）（單位：%）

不同的不銹鋼耐蝕性存在一定差異，化學成分對不銹鋼的耐蝕性有直接影響，其中，Mo 元素的最主要作用是增加不銹鋼的耐點蝕性能［2］。通常，行業內采用耐點蝕當量（PRE）量化表征不銹鋼耐點蝕能力［3］。PRE=Cr+3.3Mo+16N 是奧氏體不銹鋼PRE 最廣泛采用的公式，式中，化學元素Cr、Mo、N 表示其百分含量，PRE值越大，表示耐點蝕性能越好。由上式計算可知，304 不銹鋼的PRE 值僅為18.316L，不銹鋼中由于含有Mo 元素，PRE 值可達25.25L，耐點蝕性能顯著提升。由此可見，彎頭設計材質316L 降級為304 是本次失效案例的重要原因之一。

此外，還需關注304 不銹鋼和316L 不銹鋼在C 元素含量上的差異。C含量對不銹鋼晶間腐蝕傾向有決定性影響，而避免晶間腐蝕的主要方法之一即為降低材質中的C含量［4］。而送檢彎頭的含碳量是316L不銹鋼含碳量上限的2 倍多，因此表明該彎頭具有較高的晶間腐蝕傾向。

奧氏體不銹鋼一般Cr含量要求18%以上，以保證其高抗晶間腐蝕能力。本彎頭材料Cr 含量也未滿足304不銹鋼的Cr含量要求。

1.3 顯微組織分析

對泄漏彎頭進行金相檢驗，經磨光、拋光和2%硝酸酒精溶液侵蝕后，用顯微鏡觀察其組織，結果如圖2、圖3所示。

圖2 試件橫截面顯微組織

從圖2 可看出，彎頭內部組織為等軸的形變奧氏體+少量δ鐵素體，可見熱加工變形過程中留下了大量的形變孿晶。從圖3 可看出，失效點是從外壁點蝕坑處開始擴展，點蝕坑向彎頭內部擴展過程中發展為沿晶應力腐蝕裂紋，其間伴有局部點蝕，最終裂紋發展為貫穿缺陷。此外，除了點蝕和應力腐蝕裂紋外，還可見局部淺表層的晶間腐蝕現象。

圖3 泄漏處縱截面顯微組織

由顯微組織可知，彎頭內部存在大量的形變孿晶，雖可提高管道的力學性能，但也增加了材料的內應力［5］。微觀結構也驗證了導致失效的裂紋是從外向內擴展。此外，還發現裂紋存在沿晶應力腐蝕和晶間腐蝕特征，而304不銹鋼中較高的C元素含量、Cr含量低于18%、材料內部存在的內應力，以及海洋大氣環境都是沿晶應力腐蝕和晶間腐蝕的發生促進因素［6］。

1.4 力學性能測試

對失效彎頭試樣進行維氏硬度測試，試驗力取10kgf，保持時間為10s，測試結果如表2所示。

表2 維氏硬度測試結果

通常，304 不銹鋼標準硬度值不超過220HV［7］，但泄漏彎頭檢測顯示硬度值的平均值為282HV，明顯高于限值。結合在金相檢驗中發現大量的加工變形孿晶，彎頭硬度值較高的可能原因是加工過程中產生加工硬化［8］，而加工硬化產生的殘余應力與含Cl元素的海洋大氣環境將進一步加速304不銹鋼管道的腐蝕［9］。

2 結論及建議

核電廠制氫系統不銹鋼管失效原為制造材質由設計選材的00Cr17Ni14Mo2（316L）錯用為0Cr18Ni9（304）不銹鋼，而304不銹鋼彎材料在含Cl元素的海洋大氣環境下耐蝕性能較差，從而在管道外壁發生點蝕，并逐漸發展為貫穿性的沿晶應力腐蝕開裂，此外，失效處也存在晶間腐蝕。

結合以上彎頭失效原因，提出的針對性解決方案如下。

（1）將錯用的304 不銹鋼管頭恢復為耐點蝕和沿晶腐蝕能力更優異的316L不銹鋼。

（2）對機械加工后的彎頭進行固溶處理，以降低管道內部殘余應力，從而降低管道應力腐蝕風險。

（3）由于相關316L不銹鋼在海洋大氣環境下亦有發生腐蝕的案例，即使將304 不銹鋼更換為316L 不銹鋼，也不能完全消除該處彎頭在海洋大氣環境下腐蝕的風險。考慮到管道腐蝕是由外而內發生的，管道內表面腐蝕風險較小，因此，建議采用涂料涂裝的方式在管道表面增加防護層，將管道基材與腐蝕環境隔離，從而避免管道腐蝕。