某核電廠堿液管道彎頭開裂原因分析

徐 科 胡明磊 劉 君 胡宇杰 高 斌

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

凝結水精處理系統作用是除去凝結水中的離子態、懸浮狀雜質，確保達到蒸汽發生器規定的給水水質。系統中有高/低位燒堿貯罐，兩個罐子通過不銹鋼管道連接用以傳輸燒堿（NaOH）。該管道服役至今已多年，其彎頭的材質為不銹鋼，在日常運行過程中彎頭表面出現堿結晶，清理后發現在彎頭焊縫邊緣存在裂紋，運行過程中出現泄漏。

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

依據GB/T 18851.1-2012《無損檢測 滲透檢測》，對彎頭進行滲透檢測。彎頭靠近焊縫位置，有3條明顯的長裂紋。1#裂紋長度約15mm，2#裂紋長度約14mm，3#裂紋長度約15mm，裂紋擴展方向均為環向，如圖1所示。

圖1 彎頭裂紋位置2.2化學成分分析

依據GB/T 11170-2008《不銹鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》利用電火花直讀光譜儀對彎頭母材的化學成分進行分析，結果如表1所示。由于失效彎頭原始材質未知，在標準GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》也未找到對應不銹鋼牌號，但從Cr、Ni含量推斷其屬于奧氏體不銹鋼。

表1 彎頭成分分析結果（wt.%）

不銹鋼中Mn在熔煉過程中能與S形成MnS消除有害雜質，但過多的MnS殘留在鋼中形成A類夾雜物（硫化物），會導致鋼的力學性能、抗腐蝕性能和焊接性能降低。因此，奧氏體不銹鋼標準中一般限定Mn含量不超過2.0%，彎頭中的Mn含量超過2%，可能會使彎頭的力學性能、抗腐蝕性能等下降[1]。

1.2 硬度測試

依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，對彎頭外弧表面和截面進行硬度測試。結果如表2所示，外弧表面硬度（平均值280）比截面硬度（平均值239）稍高，推測變形大的位置加工硬化影響更大[2]。

表2 硬度測試結果（HV）

1.3 顯微組織分析

如圖2所示，選取彎頭上的1#裂紋對彎頭母材區、焊縫區、焊縫熱影響區、母材裂紋區進行金相組織分析，對彎頭母材進行夾雜物分析。依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》，將彎頭經切割、清潔、鑲嵌、打磨、拋光后采用方法A最劣視場法對夾雜物進行評級。依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》，采用10%草酸溶液電解腐蝕的方法，進行金相組織檢驗。

圖2 彎頭金相組織照片

圖3 夾雜物評級用照片

圖4 晶間腐蝕樣品形貌

圖5 彎頭內表面裂紋形貌

彎頭母材區截面的金相組織分析結果如圖2所示，其中（a）為焊縫區，（b）為熱影響區，（c）為母材區，（d）為母材裂紋區，兩個彎頭奧氏體晶粒內部存在大量滑移帶，芯部晶粒大小不一，表明彎頭內外表面存在加工硬化；裂紋呈沿晶開裂特征。彎頭焊縫區組織為奧氏體+鐵素體組織，熱影響區為奧氏體組織，母材為奧氏體組織，焊縫檢測部位的金相組織無異常[4]。

夾雜物評級照片結果如以下圖表所示，其中彎頭母材存在A類的非金屬夾雜物（硫化物），夾雜物等級達到2.0級，可能成為裂紋源及其擴展通道，降低材料的使用壽命[3]。

1.4 晶間腐蝕

依據GB/T 4334-2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》方法E進行晶間腐蝕試驗，按標準要求選取2個樣品開展測試。測試條件為周期20h，彎心直徑8mm，彎曲角度180度，晶間腐蝕后彎頭表面無裂紋，測試結果表明，彎頭無晶間腐蝕跡象。

1.5 斷口及裂紋微觀分析

利用切割機切下彎頭3#裂紋位置后，發現彎頭內壁面存在一條裂紋，進一步觀察到裂紋周圍，發現腐蝕產物形成的保護層有明顯的脫落，保護層的缺失會降低彎頭的耐腐蝕性能。

裂紋人工打開后進行斷口SEM觀察，如圖6所示，其中（a）為打開斷口的整體形貌左半部分，（b）為整體形貌右半部分，（c）為A區放大圖，（d）為B區放大圖。A區中存在點蝕孔，B區斷口呈冰糖狀形貌特征，為典型的沿晶斷裂形貌。可能A區開裂較早，冰糖狀的斷口長時間腐蝕后其特征逐漸消失，在高濃度的堿性環境下產生點蝕凹坑。B區則仍保留了沿晶斷裂的形貌特征。

圖6 彎頭裂紋斷口形貌

利用EDS分析斷口位置起裂區（A區）、擴展區（B、C區）的成分，分析位置與結果如表3所示。其中，O的含量A區＞B區＞C區，表明開裂越早，氧化物越多。并且，A區以Cr的氧化物為主，B、C區以Fe的氧化物為主。

表3 EDS分析結果（wt%）

2 分析與討論

送檢的開裂彎頭從Cr、Ni含量推斷其屬于奧氏體不銹鋼，但其Mn含量均超過2%，高于一般不銹鋼標準的規定。不銹鋼中Mn在熔煉過程中能與S形成MnS消除有害雜質，但過多的MnS殘留在鋼中形成A類夾雜物（硫化物），會導致鋼的力學性能、抗腐蝕性能和焊接性能降低。對彎頭外弧表面和截面進行硬度測試發現外弧表面硬度比截面硬度稍高，推測變形大的位置加工硬化影響更大；對彎頭進行金相與夾雜物分析后發現兩個彎頭奧氏體晶粒內部存在大量滑移帶，芯部晶粒大小不一，表明彎頭內外表面存在加工硬化；彎頭母材存在A類夾雜物，夾雜物等級達到2.0級，可能成為裂紋源及其擴展通道，降低材料的使用壽命。斷口及裂紋微觀分析顯示彎頭內表明有腐蝕產物脫落的情況；斷口呈沿晶開裂特征，且有點蝕凹坑。

綜上所述，送檢的開裂彎頭為奧氏體不銹鋼，服役過程中與濃堿環境介質接觸，彎頭開裂部位同時存在加工硬化和焊接帶來的殘余應力[5]。因此，在上述三種因素長期綜合作用下，使彎頭靠近焊縫位置發生了應力腐蝕開裂（SCC），并最終導致堿液泄漏。彎頭發生SCC的過程如下：奧氏體不銹鋼在表面形成鈍化膜，保護基體不被濃堿腐蝕。但長期在加工硬化和焊接產生的殘余應力的作用下，鈍化膜發生局部破損，裸露的金屬基體成為新的陽極，而裂紋兩側仍有保護膜為陰極，濃堿介質通過毛細作用滲入裂紋尖端，促使裂紋尖端繼續溶解、生長。最終，彎頭形成貫穿裂紋導致堿液泄漏。

4 結語

送檢彎頭本身Mn含量異常高，存在MnS脆性夾雜物，由于未進行合適熱處理，表面存在加工硬化層，在濃堿環境下，靠近焊縫位置發生SCC應力腐蝕開裂。