某核電廠制氫系統(tǒng)不銹鋼彎頭失效原因分析及應(yīng)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(tǒng)為核電廠提供生產(chǎn)所需的全部氫氣，包括為抑制輻照導(dǎo)致的水分解而向核島反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)加入的氫，以及為常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組提供冷卻所用的氫。某核電廠發(fā)現(xiàn)制氫站某閥門下游彎頭處存在氫氣外泄現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該彎頭存在點(diǎn)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(xué)成分、力學(xué)性能及顯微組織等方面進(jìn)行分析，以查明該核電廠制氫系統(tǒng)不銹鋼管失效原因并制定針對性的預(yù)防改進(jìn)措施，提高設(shè)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(tǒng)不銹鋼彎頭失效原因，對失效彎頭進(jìn)行了取樣測試分析，具體情況如下。

1.1 宏觀形貌

制氫系統(tǒng)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(diǎn)位于彎頭內(nèi)弧一側(cè)靠近中線的位置，詳見圖1（a），在失效點(diǎn)附近可見2處較小的點(diǎn)蝕坑。在彎頭外側(cè)打磨區(qū)，明顯可見部分深褐色銹跡，該處銹跡應(yīng)為失效處腐蝕產(chǎn)物痕跡，詳見圖1（b）。在彎頭的中部未打磨區(qū)同樣可見部分銹跡，但顏色較淺，為典型的不銹鋼在大氣環(huán)境下的表面浮銹。觀察彎頭內(nèi)表面，失效部位有點(diǎn)狀小孔，失效點(diǎn)直徑與外壁側(cè)相比較小，其上有堆積點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物，詳見圖1（c）。

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

圖1 泄漏彎頭宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

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

由表1 可知，送檢彎頭化學(xué)元素中Ni 元素含量僅為8.14%，遠(yuǎn)低于316L 標(biāo)準(zhǔn)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(dá)0.063%，是316L 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分要求，由此可認(rèn)為，送檢彎頭材料并非設(shè)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(dá)到304不銹鋼的要求。

表1 彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（單位：%）

不同的不銹鋼耐蝕性存在一定差異，化學(xué)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(diǎn)蝕性能［2］。通常，行業(yè)內(nèi)采用耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）量化表征不銹鋼耐點(diǎn)蝕能力［3］。PRE=Cr+3.3Mo+16N 是奧氏體不銹鋼P(yáng)RE 最廣泛采用的公式，式中，化學(xué)元素Cr、Mo、N 表示其百分含量，PRE值越大，表示耐點(diǎn)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(dá)25.25L，耐點(diǎn)蝕性能顯著提升。由此可見，彎頭設(shè)計材質(zhì)316L 降級為304 是本次失效案例的重要原因之一。

此外，還需關(guān)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(zhì)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(jìn)行金相檢驗，經(jīng)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(jié)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(nèi)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(diǎn)是從外壁點(diǎn)蝕坑處開始擴(kuò)展，點(diǎn)蝕坑向彎頭內(nèi)部擴(kuò)展過程中發(fā)展為沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋，其間伴有局部點(diǎn)蝕，最終裂紋發(fā)展為貫穿缺陷。此外，除了點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋外，還可見局部淺表層的晶間腐蝕現(xiàn)象。

圖3 泄漏處縱截面顯微組織

由顯微組織可知，彎頭內(nèi)部存在大量的形變孿晶，雖可提高管道的力學(xué)性能，但也增加了材料的內(nèi)應(yīng)力［5］。微觀結(jié)構(gòu)也驗證了導(dǎo)致失效的裂紋是從外向內(nèi)擴(kuò)展。此外，還發(fā)現(xiàn)裂紋存在沿晶應(yīng)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(nèi)部存在的內(nèi)應(yīng)力，以及海洋大氣環(huán)境都是沿晶應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕的發(fā)生促進(jìn)因素［6］。

1.4 力學(xué)性能測試

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

表2 維氏硬度測試結(jié)果

通常，304 不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合在金相檢驗中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生加工硬化［8］，而加工硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與含Cl元素的海洋大氣環(huán)境將進(jìn)一步加速304不銹鋼管道的腐蝕［9］。

2 結(jié)論及建議

核電廠制氫系統(tǒng)不銹鋼管失效原為制造材質(zhì)由設(shè)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(huán)境下耐蝕性能較差，從而在管道外壁發(fā)生點(diǎn)蝕，并逐漸發(fā)展為貫穿性的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂，此外，失效處也存在晶間腐蝕。

結(jié)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(fù)為耐點(diǎn)蝕和沿晶腐蝕能力更優(yōu)異的316L不銹鋼。

（2）對機(jī)械加工后的彎頭進(jìn)行固溶處理，以降低管道內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而降低管道應(yīng)力腐蝕風(fēng)險。

（3）由于相關(guān)316L不銹鋼在海洋大氣環(huán)境下亦有發(fā)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(huán)境下腐蝕的風(fēng)險。考慮到管道腐蝕是由外而內(nèi)發(fā)生的，管道內(nèi)表面腐蝕風(fēng)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(hù)層，將管道基材與腐蝕環(huán)境隔離，從而避免管道腐蝕。