邊春華,張 維,劉洪群2,王云偉,文 杰
(1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司,海鹽 314300;2. 蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)
奧氏體不銹鋼因其優(yōu)秀的力學(xué)性能和耐腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于能源、電力、化工等領(lǐng)域,核電站中的大量管道,特別是苛刻服役環(huán)境(如高溫高壓水、海水系統(tǒng)等)中的管道也是由奧氏體不銹鋼制備的[1-5]。疏水管在核電站中承擔(dān)輸送冷卻劑的作用,其一般長(zhǎng)度較長(zhǎng),需要焊接成型,然而焊接接頭對(duì)管道的開(kāi)裂有重要影響。腐蝕疲勞和空泡腐蝕是疏水管常見(jiàn)的腐蝕現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外多個(gè)核電廠均出現(xiàn)過(guò)因疏水管開(kāi)裂導(dǎo)致冷卻液泄漏的事故。
腐蝕疲勞是在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下形成裂紋及擴(kuò)展的現(xiàn)象,它既不同于應(yīng)力腐蝕破壞也不同于機(jī)械疲勞,同時(shí)也不是腐蝕和機(jī)械疲勞兩種因素作用的簡(jiǎn)單疊加[6-8]。腐蝕疲勞的發(fā)生不需要特定的腐蝕系統(tǒng),在不含任何特定腐蝕性離子的蒸餾水中也能發(fā)生,而且?guī)缀跛械慕饘俨牧隙加邪l(fā)生腐蝕疲勞的可能性,在腐蝕環(huán)境中材料沒(méi)有疲勞極限,即使在很小的應(yīng)力變化下也可能發(fā)生,應(yīng)力的來(lái)源包括殘余應(yīng)力、系統(tǒng)中的震動(dòng)應(yīng)力、工作應(yīng)力等。因此,腐蝕疲勞的發(fā)生非常廣泛,一旦有腐蝕裂紋萌生,在很短的時(shí)間內(nèi)材料就會(huì)發(fā)生斷裂[9-11]。
管道內(nèi)流體流速達(dá)到一定程度后,常常會(huì)引起空泡腐蝕??张莞g是一種氣蝕,在液體與金屬材料之間相對(duì)速度很高的情況下,氣體在金屬表面的局部區(qū)域(低壓區(qū))形成空穴或氣泡,繼而迅速破滅而造成的一種局部腐蝕??张莞g時(shí),金屬表面空穴或氣泡的形成和破滅極其迅速??昭ɑ驓馀萜茰鐣r(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,壓力可達(dá)幾百兆帕,在這樣巨大的機(jī)械應(yīng)力作用下,金屬表面耗損,表面保護(hù)膜遭到破壞,形成蝕坑。蝕坑形成后,粗糙不平的表面又成為新生空穴或氣泡的核心[12-17]。同時(shí),蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中,促進(jìn)金屬表面層的材料損耗。此外,在空穴或氣泡破裂時(shí),沖擊波還會(huì)引起管道震動(dòng),造成周期性應(yīng)力,引起管道的疲勞失效。
疏水管在核電廠中的排布非常復(fù)雜,焊接接頭是彎管和直管之間主要的鏈接方式,但是焊縫屬于鑄造組織,常存在組織疏松、枝晶等缺陷,是整個(gè)管道的薄弱環(huán)節(jié),因此焊接接頭常常會(huì)早于管道發(fā)生開(kāi)裂[18-21]。
本工作以國(guó)內(nèi)某核電廠服役中發(fā)生開(kāi)裂的兩疏水管道為研究對(duì)象,利用金相顯微鏡對(duì)焊縫處已萌生的裂紋進(jìn)行觀察,用掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行了詳細(xì)分析,同時(shí)利用X射線衍射儀對(duì)管道內(nèi)壁的氧化物覆蓋層進(jìn)行分析。最后,利用Ansys軟件模擬疏水管中流體經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)管壁的影響,綜合分析得出疏水管失效的原因。
試驗(yàn)用材料為某核電廠兩根失效的疏水管(焊接接頭處開(kāi)裂),如圖1所示,管道內(nèi)介質(zhì)為100 ℃左右的熱水,管道材料為304L不銹鋼,化學(xué)成分如表1所示,正常的基體組織如圖2所示。
從失效管道的焊接接頭處用線切割取金相試樣,切割時(shí)保證焊縫的完整性,然后打磨拋光,用去離子水和酒精清洗備用;用王水擦拭侵蝕處理過(guò)的金相試樣,再用清水清洗,在金相顯微鏡下對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)。用掃描電鏡觀察失效管道斷口及管道內(nèi)壁焊接接頭處的微觀形貌。用能譜儀對(duì)斷口腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分進(jìn)行分析,用X射線衍射儀(XRD)對(duì)管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。
表1 失效疏水管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
(a) 一號(hào)管
(b) 二號(hào)管
圖2 304L不銹鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 304L stainless steel
從圖3和圖4中可以看出:兩失效管道彎管和直管焊接接頭處均出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象,裂紋從焊趾處即基體材料與焊縫連接處萌生;高倍下可見(jiàn),焊縫組織均為典型的鑄造組織,晶粒粗大,有凝固枝晶。
(a) 彎管焊接接頭,低倍
(b) 直管焊接接頭,低倍
(c) 彎管焊接接頭,高倍
(d) 直管焊接接頭,高倍
(a) 彎管焊接接頭,低倍
(b) 直管焊接接頭,低倍
(c) 彎管焊接接頭,高倍
(d) 直管焊接接頭,高倍
從圖5和圖6中可以看出:兩失效管道彎管和直管斷口呈解離狀,為非韌性開(kāi)裂;局部放大后,斷口中多處區(qū)域均可見(jiàn)典型的疲勞條帶,說(shuō)明管道開(kāi)裂是由疲勞引起的;兩管道斷口的有些區(qū)域表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,無(wú)法觀察到斷口的原本形貌。
(a) 彎管斷口,低倍
(b) 直管斷口,低倍
(c) 彎管斷口,高倍
(d) 直管斷口,高倍
(a) 彎管斷口,低倍
(b) 直管斷口,低倍
(c) 彎管斷口,高倍
(d) 直管斷口,高倍
從圖7中可以看出:開(kāi)裂后管道內(nèi)壁在焊縫處出現(xiàn)了大量腐蝕坑,部分區(qū)域腐蝕坑非常密集,幾乎連在一起,且部分腐蝕坑深度很深。
對(duì)斷口區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出,斷口中富含氧元素,即有大量氧化物形成,特別是一號(hào)管,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)20%。
對(duì)二號(hào)管道內(nèi)壁進(jìn)行物相分析,結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明,內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3,檢測(cè)到的304不銹鋼為管道基體材料。
(a) 一號(hào)管,低倍
(b) 一號(hào)管,高倍
(c) 二號(hào)管,低倍
(d) 二號(hào)管,高倍
表2 兩失效管道斷口腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
圖8 二號(hào)管內(nèi)壁的XRD譜Fig.8 XRD pattern of inner wall of pipe No.2
開(kāi)裂的管道為國(guó)內(nèi)某核電廠在役管道,管內(nèi)介質(zhì)為水和水蒸氣兩相混合體,溫度為80~120 ℃,水由高到低自然流動(dòng),管道未設(shè)置增壓泵,水位落差約5 m。據(jù)反饋,該管道在投入使用幾個(gè)月后就出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象,用手輕拍管道,管道會(huì)產(chǎn)生輕微晃動(dòng),據(jù)此推斷:當(dāng)管內(nèi)水流流經(jīng)時(shí),管道會(huì)發(fā)生震動(dòng)。
為了模擬管道服役過(guò)程中的受力情況,對(duì)失效的疏水管進(jìn)行數(shù)字建模,采用Ansys分析系統(tǒng)和氣、液兩相流體專(zhuān)用分析軟件對(duì)管壁受力情況進(jìn)行數(shù)字模擬分析。分析時(shí)邊界條件設(shè)定為:平行管中的液相水占管截面的3/4,氣相水蒸氣占管截面的1/4;管內(nèi)介質(zhì)溫度為100 ℃;重力方向?yàn)閤正方向,重力加速度為9.8 m/s2。
模擬結(jié)果(見(jiàn)圖9)顯示:隨著管內(nèi)液相流速的增大,水平管內(nèi)壓力也隨之升高,同時(shí)在彎管區(qū)域出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)域;圖中顏色越深代表管道受到的壓力越大,可以看出,在流速為1 m/s時(shí),彎管部位壓力較小,但當(dāng)流速增加至2 m/s,彎管焊接接頭周?chē)鷫毫^大。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知,二號(hào)管內(nèi)流體流速可達(dá)到5 m/s,此時(shí)管道受到就壓力更大,且疏水管中的水流會(huì)周期性變化,導(dǎo)致焊接接頭處受力也隨之發(fā)生周期性變化,造成周期性應(yīng)力加載。管道失效開(kāi)裂的位置為焊接接頭處,這與模擬得到該區(qū)域的應(yīng)力最大的結(jié)論相吻合。
從開(kāi)裂焊縫的斷口可知,兩失效管道應(yīng)屬于疲勞斷裂,通過(guò)模擬可知管道在服役時(shí)會(huì)受到周期性加載,因此該管道在服役過(guò)程中可能發(fā)生疲勞斷裂。此外,在斷口上發(fā)現(xiàn)了腐蝕產(chǎn)物和疲勞條帶,說(shuō)明該管道焊縫的開(kāi)裂應(yīng)歸因于腐蝕疲勞開(kāi)裂。該管道發(fā)生腐蝕疲勞的原因與管內(nèi)流體通過(guò)時(shí)引起的空泡腐蝕密切相關(guān)。一方面,空泡腐蝕會(huì)在疏水管內(nèi)壁形成大量的腐蝕坑,導(dǎo)致應(yīng)力集中。另一方面,空穴或氣泡發(fā)生破裂時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,造成管道的震動(dòng),從而形成周期性的循環(huán)應(yīng)力加載,并最終引起腐蝕疲勞的發(fā)生。由空泡腐蝕引起腐蝕疲勞的案例一般在艦船的螺旋槳上發(fā)生,由于其惡劣的工作環(huán)境,螺旋槳常常會(huì)因海水發(fā)生空泡腐蝕,一旦發(fā)生空泡腐蝕,腐蝕疲勞也會(huì)變得更容易。在常用的金屬材料中,碳鋼、不銹鋼、銅合金等均有發(fā)生空泡腐蝕和腐蝕疲勞的現(xiàn)象[22-25]。
(a) 1 m/s
(b) 2 m/s
(c) 5 m/s圖9 不同流速下疏水管的壓力分布Fig.9 Stress distribution in drain pipe at different flow rates
該疏水管道的泄漏具有普遍性特點(diǎn),泄漏發(fā)生于不同的管線,出現(xiàn)泄漏的時(shí)間長(zhǎng)短不一,且所有的裂紋均出現(xiàn)在焊接部位,說(shuō)明泄漏跟焊接質(zhì)量有關(guān)。由于焊接質(zhì)量不佳,焊縫及兩側(cè)母材的組織及顯微硬度均存在差異,導(dǎo)致其電極電位不同,在電解質(zhì)環(huán)境中,焊縫和母材之間會(huì)形成電偶,容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。較高的焊接下榻會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,引發(fā)疲勞裂紋源。管道服役過(guò)程的受力情況模擬結(jié)果表明,焊接下榻附近會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)壓區(qū)域,液相介質(zhì)流過(guò)時(shí),在其附近引發(fā)空泡腐蝕。
空泡腐蝕產(chǎn)生的凹坑形成應(yīng)力集中點(diǎn),可誘發(fā)裂紋源,同時(shí)空泡爆破時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊波可造成管道振動(dòng)。特別是當(dāng)空泡爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率和管道的固有頻率成整數(shù)倍時(shí),管道將發(fā)生共振,振幅會(huì)急劇增大,管道在很短的時(shí)間內(nèi)將有可能發(fā)生穿透型開(kāi)裂,導(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)泄漏。通常情況下,不銹鋼表面有一層鈍化膜,環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕性物質(zhì)不能接觸到不銹鋼基體發(fā)生腐蝕。空泡爆破會(huì)破壞不銹鋼表面的鈍化膜,使得金屬基體直接和水環(huán)境接觸,并和水中的溶解氧產(chǎn)生氧化腐蝕,腐蝕產(chǎn)物的形成又阻止了介質(zhì)和基體的直接接觸,相當(dāng)于材料表面形成了新的“保護(hù)膜”,隨后該過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,便形成了密集的、呈海綿狀的空泡腐蝕坑。腐蝕產(chǎn)物的形成過(guò)程為:材料表面鈍化膜破裂,水中的溶解氧首先和基體中活性較高的鐵元素發(fā)生反應(yīng),生成FeO,分布于剛萌生的裂紋或者裂紋尖端;因疲勞裂紋的反復(fù)張開(kāi)和閉合,F(xiàn)eO和水中的溶解氧發(fā)生進(jìn)一步氧化反應(yīng)形成Fe2O3,腐蝕產(chǎn)物隨著流體轉(zhuǎn)移到裂紋的下游,或者因流體泄漏被帶到管外壁。
綜上所述,在服役過(guò)程中,該疏水管上產(chǎn)生空泡腐蝕的焊縫區(qū)域先萌生疲勞裂紋,產(chǎn)生穿透型疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏;而未產(chǎn)生空泡腐蝕的區(qū)域,會(huì)在應(yīng)力集中明顯的焊接下榻和母材交界或腐蝕坑處萌生疲勞裂紋,因管線的振動(dòng)而發(fā)生腐蝕疲勞開(kāi)裂。
(1) 兩失效疏水管道均為腐蝕疲勞開(kāi)裂,裂紋均在焊接接頭的焊趾處萌生,且均為多源開(kāi)裂。
(2) 焊接接頭部位多處發(fā)生空泡腐蝕。這是因?yàn)榱黧w經(jīng)過(guò)焊接下榻時(shí)也會(huì)在其附近形成負(fù)壓區(qū),導(dǎo)致空泡腐蝕。
(3) 空泡腐蝕產(chǎn)生的凹坑處應(yīng)力集中,成為疲勞裂紋源;空泡爆破時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊應(yīng)力造成管道振動(dòng),促進(jìn)腐蝕疲勞開(kāi)裂。