分享：核電廠疏水系統(tǒng)用304不銹鋼彎管開裂原因

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的成型性和焊接性，容易被制成不同形狀或尺寸的產(chǎn)品，且不會(huì)影響不銹鋼的強(qiáng)度或耐用性。此外，奧氏體不銹鋼中鉻元素和鎳元素的含量較高，具有良好的耐腐蝕性[1-2]。因此，奧氏體不銹鋼是使用較為廣泛的管件材料。 

核電廠汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)的主要功能是當(dāng)反應(yīng)堆功率與汽輪機(jī)載荷不一致時(shí)，該系統(tǒng)可把多余的蒸汽排向冷凝器、除氧器和大氣，為反應(yīng)堆提供外加載荷，從而避免核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中溫度和壓力超過(guò)保護(hù)閾值，確保電廠的安全[3]。疏水器用于蒸汽系統(tǒng)中，主要作用是自動(dòng)識(shí)別并排放蒸汽管道中的冷凝水，同時(shí)阻止蒸汽泄漏[4]。由于疏水器在正常工作時(shí)會(huì)不斷向下游輸送冷凝水，故下游管道不可避免地會(huì)承受交變應(yīng)力的作用。 

某核電廠汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)管道材料均為304不銹鋼，系統(tǒng)中安裝的某個(gè)疏水器出口管道在使用僅1 a后就發(fā)生開裂。筆者采用宏觀觀察、掃描電鏡（SEM）分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法對(duì)彎管的泄漏原因進(jìn)行分析，以避免類似事件再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

發(fā)生泄漏的疏水器出口管道由一段直管、一段60°彎管和一段90°彎管組成。開裂處位于90°彎管的外彎面上，外表面焊接護(hù)板為發(fā)現(xiàn)彎管泄漏后臨時(shí)加上的，由管道內(nèi)表面可觀察到沿軸向分布的裂紋（見(jiàn)圖1）。 

圖  1  開裂彎管整體及其裂紋宏觀形貌

將90°彎管上堵漏護(hù)板切割下后，觀察其外表面，彎管開裂處兩端存在止裂孔，靠上游側(cè)的裂紋未發(fā)生擴(kuò)展，下游側(cè)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展了45 mm左右，未擴(kuò)展到護(hù)板端部位置（見(jiàn)圖2）。 

圖  2  開裂彎管外表面裂紋宏觀形貌

1.2   掃描電鏡分析

現(xiàn)場(chǎng)90°彎管已發(fā)生泄漏，用帶冷卻水的切割機(jī)切下彎管兩個(gè)止裂孔之間的裂紋試樣，利用掃描電鏡觀察打開裂紋后的斷口形貌（見(jiàn)圖3）。由圖3可知：斷口整體平齊，未見(jiàn)局部變形特征[見(jiàn)圖3（a）]；彎管起裂區(qū)的正面（外表面）可觀察到直徑約為2 mm的凹坑[見(jiàn)圖3（b）]；裂紋由該凹坑處起裂，斷口的起裂區(qū)及中部和靠近內(nèi)表面的擴(kuò)展區(qū)均可觀察到細(xì)小的疲勞條紋及氧化產(chǎn)物[見(jiàn)圖3（c）]；靠近內(nèi)表面的斷口上可觀察到沿軸向分布的疑似裂紋缺陷[見(jiàn)圖3（d）]。斷口表面能譜分析結(jié)果未檢出氯、硫等腐蝕性元素，說(shuō)明彎管由表面凹坑缺陷處發(fā)生疲勞開裂，并向內(nèi)表面疲勞擴(kuò)展直至貫穿。不銹鋼基體上存在潛在沿軸向分布的裂紋缺陷。 

圖  3  斷口表面、起裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

1.3   化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，利用直讀火花光譜儀檢驗(yàn)90°彎管母材的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。由表1可知：彎管的化學(xué)成分符合GB/T 14975—2012《結(jié)構(gòu)用不銹鋼無(wú)縫鋼管》對(duì)304（S30408）不銹鋼材料成分的要求。 

1.4   金相檢驗(yàn)

用線切割機(jī)在90°彎管最大角度外彎處取橫截面金相試樣和下游裂紋尖端金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：彎管組織為奧氏體，外表面奧氏體晶內(nèi)存在位錯(cuò)滑移帶；外彎處的主裂紋呈穿晶形態(tài)。說(shuō)明90°彎管發(fā)生冷加工變形硬化，其奧氏體晶內(nèi)產(chǎn)生大量滑移帶。 

圖  4  彎管及裂紋尖端顯微組織形貌

依據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，將試樣切割、清潔、鑲嵌、打磨、拋光后，采用方法A（最劣視場(chǎng)法）對(duì)90°彎管的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如圖5所示。評(píng)級(jí)結(jié)果為B類（氧化鋁類）粗系1級(jí)，細(xì)系2級(jí)，D類（球狀氧化物類）細(xì)系1級(jí)，DS類（單顆粒球狀類）1級(jí)。 

圖  5  彎管夾雜物微觀形貌

1.5   硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 4340.1—2024《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，利用維氏硬度計(jì)測(cè)量90°彎管外彎處的硬度，結(jié)果如表2所示。由表2可知：與GB/T 14975—2012中規(guī)定的304不銹鋼硬度相比，90°彎管的硬度偏高，尤其外表面硬度為標(biāo)準(zhǔn)要求最大值的180%以上。90°彎管硬度偏高與其冷加工引起材料硬化有關(guān)，材料的硬化程度越高，脆性越大，抗裂紋擴(kuò)展能力越差。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知，90°彎管的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其內(nèi)、外表面奧氏體晶粒組織中存在較多滑移帶，硬度偏高，鋼材基體夾雜物含量偏高，純凈度較差。 

為了保證奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，通常應(yīng)在加工變形后對(duì)其進(jìn)行固溶處理，使其組織為單相奧氏體[5-6]。開裂的90°彎管存在明顯的加工硬化層，由于該彎管由直管現(xiàn)場(chǎng)彎制而成，故判斷該彎管冷彎后未進(jìn)行固溶處理，不銹鋼在冷加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生位錯(cuò)密度增加，出現(xiàn)碎晶、晶格畸變?cè)黾拥痊F(xiàn)象，這些因素都會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)滑移阻力增大，從而使材料的強(qiáng)度和硬度升高，但材料的塑性、韌性降低。不銹鋼在加工硬化狀態(tài)的作用下，其加工硬化程度越高，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力越大[7-9]，即韌性和塑性越差。另外，由于不銹鋼鋼材基體的純凈度較差，在冷彎過(guò)程中，其表面和內(nèi)部都會(huì)出現(xiàn)裂紋缺陷。由于90°彎管外表面還存在一處凹坑缺陷，該缺陷處是應(yīng)力集中部位，極易成為裂紋源[10-11]，疏水器工作時(shí)彎管振動(dòng)，應(yīng)力集中部位的裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，這些因素使裂紋在振動(dòng)工況下沿夾雜物方向（軸向）擴(kuò)展直至貫穿。 

3.   結(jié)論及建議

（1）90°彎管開裂主要是由于彎管在冷加工后未進(jìn)行固溶處理，導(dǎo)致其表面硬化程度較高，塑性和韌性較差。 

（2）彎管表面存在的凹坑缺陷成為裂紋源，彎管所在管道系統(tǒng)中的振動(dòng)工況使裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，另外彎管基體中夾雜物含量較高，在冷彎過(guò)程中，彎管表面及內(nèi)部產(chǎn)生裂紋缺陷，這些因素使裂紋擴(kuò)展直至開裂。 

（3）建議后續(xù)對(duì)該類管件進(jìn)行入廠前驗(yàn)收，確保管件為固溶處理態(tài)，且無(wú)表面缺陷。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)