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。

1 試驗(yàn)

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

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋形貌

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

2.2 斷口形貌

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

2.3 腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物

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

3 分析與討論

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。

4 結(jié)論

(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。