雙相不銹鋼法蘭側(cè)焊縫熱影響區(qū)裂紋和腐蝕問(wèn)題分析

鄭倩倩

摘要：針對(duì)某核電站海水管路系統(tǒng)調(diào)試期間出現(xiàn)泄漏的問(wèn)題，從施工到調(diào)試過(guò)程，采用了多要素的排除法對(duì)腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)材料材質(zhì)性能、應(yīng)力分布、材料所處介質(zhì)環(huán)境等方面進(jìn)行分析，得出裂紋和腐蝕為應(yīng)力腐蝕，滿足應(yīng)力腐蝕三要素：①對(duì)材料為敏感材質(zhì);②系統(tǒng)某些區(qū)域采用的材料和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力及載荷應(yīng)力作用;③在腐蝕介質(zhì)——海水中運(yùn)行。從而達(dá)到應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂條件，出現(xiàn)貫穿性裂紋而使介質(zhì)泄漏。由于結(jié)構(gòu)和所在介質(zhì)環(huán)境固定，可通過(guò)更換質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求的非敏感雙相不銹鋼材質(zhì)的法蘭解決該問(wèn)題，該裂紋和腐蝕問(wèn)題的分析方法可供同行借鑒。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;結(jié)構(gòu)應(yīng)力;腐蝕介質(zhì);應(yīng)力腐蝕

中圖分類號(hào)：TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0079-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.14

0 前言

某核電廠海水廠房4個(gè)通道泵出口反法蘭側(cè)（鍛件法蘭，材質(zhì)S32750）與管道（材質(zhì)S32750，質(zhì)保QA2級(jí)）的焊縫，質(zhì)量等級(jí)屬于俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)核Ⅲc級(jí)，規(guī)格為φ508×5.54 mm對(duì)接接頭，采用φ1.6 mm、牌號(hào)為ER2594不銹鋼焊絲，TIG工藝焊接，無(wú)損檢驗(yàn)合格。承包商在完成泵單體調(diào)試（海水注入管道內(nèi)部）后移交業(yè)主，業(yè)主調(diào)試部門(mén)在進(jìn)行起泵試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)4個(gè)通道泵出口反法蘭側(cè)焊縫邊緣母材均有不同程度的開(kāi)裂問(wèn)題，隨即開(kāi)啟了調(diào)試不符合項(xiàng)報(bào)告?，F(xiàn)場(chǎng)拆除泵與法蘭連接短管后，發(fā)現(xiàn)法蘭側(cè)不但存在母材裂紋而且存在局部點(diǎn)腐蝕及穿孔現(xiàn)象，4個(gè)通道4個(gè)焊縫的缺陷問(wèn)題都很嚴(yán)重。文中通過(guò)分析接頭材質(zhì)、構(gòu)件受力[1]、腐蝕介質(zhì)及溫度等情況，采用排除分析方法找出了裂紋產(chǎn)生的原因，可供同行借鑒。

1 產(chǎn)生原因及分析

為了查找缺陷產(chǎn)生原因，從施工到調(diào)試過(guò)程，對(duì)影響因素進(jìn)行了全面核查，通過(guò)排除法查找缺陷產(chǎn)生的根本原因[2]，具體排查情況如下：

（1）人員資格和技能。

經(jīng)核實(shí)，焊工有HAF603焊工資格證書(shū)且焊工項(xiàng)目資格符合要求，焊工資格證的有效期為國(guó)家核安全局每6個(gè)月更新一次，符合HAF603要求。

（2）焊接工藝評(píng)定及數(shù)據(jù)包。

經(jīng)查閱相關(guān)論文資料，線能量[3]等焊接要素對(duì)于管道（材質(zhì)S32750）焊接接頭組織和性能存在影響，經(jīng)核查，該系統(tǒng)的焊接工藝評(píng)定合格，符合俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)要求;焊接數(shù)據(jù)包已批準(zhǔn)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)管道所在系統(tǒng)使用此工藝共完成115道焊口的焊接，其他焊縫均未產(chǎn)生裂紋和腐蝕質(zhì)量問(wèn)題，焊接工藝符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）母材及焊接材料。

通過(guò)對(duì)管道母材、焊材的廠家提供的文件進(jìn)行核查，管道母材、焊材質(zhì)量文件齊全，滿足設(shè)計(jì)文件要求;通過(guò)對(duì)法蘭廠家提供的文件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)缺少硬度試驗(yàn)、鐵素體含量測(cè)試;另外，對(duì)比法蘭原材料與廠家檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，廠家強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低。

對(duì)鍛件法蘭、管材、焊接材料化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果分別如表1、表2所示。

鍛件法蘭S32750試驗(yàn)項(xiàng)目（ASME SA-182）：化學(xué)分析[4]、常溫拉伸、鐵素體含量測(cè)試[5]、布氏硬度。

管材S32750試驗(yàn)項(xiàng)目（ASME SA-790）：化學(xué)分析[4]、常溫拉伸、鐵素體含量測(cè)試[5]、洛氏硬度、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、點(diǎn)蝕當(dāng)量、彎曲性能。

焊絲ER2594試驗(yàn)項(xiàng)目（ASME SFA5.9）：化學(xué)分析、常溫拉伸、鐵素體、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕[6-7]。

通過(guò)以上檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該管道的鐵素體含量不滿足要求，達(dá)不到雙向不銹鋼的綜合性能，對(duì)該材質(zhì)存在疑問(wèn)。

（4）焊接質(zhì)量控制。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程記錄進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)安裝及檢驗(yàn)工序單齊全，焊接過(guò)程經(jīng)過(guò)QC及工程公司、監(jiān)理見(jiàn)證，且4道焊口均經(jīng)射線檢驗(yàn)（RT）一次合格，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷存在，質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程符合設(shè)計(jì)文件和法規(guī)驗(yàn)收要求。

（5）裂紋產(chǎn)生的原因分析。

在海水泵出口反法蘭側(cè)缺陷較為嚴(yán)重（見(jiàn)圖1），共12處腐蝕孔和1處裂紋缺陷，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所有缺陷尺寸進(jìn)行了測(cè)量。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)缺陷的定位發(fā)現(xiàn)，均在法蘭側(cè)存在貫穿性裂紋，由腐蝕現(xiàn)象導(dǎo)致，如圖2～圖4所示。

通過(guò)缺陷判斷[5]，法蘭開(kāi)裂前裂紋部位局部已存在嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，腐蝕深度均在2～4.5 mm，在調(diào)試起泵試驗(yàn)時(shí)，由于振動(dòng)和管道內(nèi)部壓力的存在，法蘭側(cè)存在應(yīng)力集中問(wèn)題，腐蝕部位無(wú)法承受應(yīng)力導(dǎo)致沿腐蝕點(diǎn)開(kāi)裂，判斷法蘭裂紋是由于內(nèi)壁腐蝕后無(wú)法承受振動(dòng)和管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力所產(chǎn)生的貫穿性開(kāi)裂缺陷。

（6）腐蝕穿孔產(chǎn)生的原因分析。

對(duì)海水進(jìn)行取樣，海水氯離子濃度在23.5 g/L（正常條件下，母材S32750在氯離子濃度達(dá)到35.7 g/L時(shí)，耐點(diǎn)蝕性能才會(huì)明顯下降）。海水進(jìn)入該管道時(shí)間約為9～11個(gè)月，存在腐蝕介質(zhì)氯離子。但管道與法蘭為同材質(zhì)，但管道并未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，僅僅法蘭一側(cè)出現(xiàn)貫穿性裂紋缺陷，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中于法蘭側(cè)焊縫處。

應(yīng)力腐蝕是敏感材料在應(yīng)力、特定腐蝕介質(zhì)共同作用下引起的破壞，具有較為鮮明的特點(diǎn)。母材S32750為鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，鐵素體含量偏低，而奧氏體則對(duì)應(yīng)力腐蝕非常敏感;根據(jù)對(duì)缺陷的判斷，該腐蝕位置處在裂紋前存在局部腐蝕，且存在振動(dòng)和管道內(nèi)部壓力，同時(shí)法蘭側(cè)因結(jié)構(gòu)因素存在應(yīng)力集中問(wèn)題;該管道所處介質(zhì)環(huán)境中氯離子濃度在23.5 g/L，屬于奧氏體不銹鋼易腐蝕的介質(zhì)，綜上所述，腐蝕穿孔滿足應(yīng)力腐蝕的三個(gè)條件，腐蝕穿孔產(chǎn)生的原因?yàn)椴馁|(zhì)達(dá)不到抗應(yīng)力腐蝕所致。

2 處理措施

（1）按照核電管理要求，對(duì)缺陷物項(xiàng)開(kāi)啟不符合項(xiàng)報(bào)告，同時(shí)編制不符合項(xiàng)處理方案，由各管理方對(duì)處理方案審查通過(guò)后，發(fā)布實(shí)施;后續(xù)根據(jù)不符合項(xiàng)處理方案進(jìn)行處理。

（2）承包商實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)打止裂孔，及時(shí)去除裂紋，對(duì)該區(qū)域母材處缺陷打磨、清理干凈并進(jìn)行液體滲透檢查，確認(rèn)無(wú)缺陷后選用φ1.6 mm、牌號(hào)為ER259不銹鋼焊絲，采用TIG工藝對(duì)母材進(jìn)行補(bǔ)焊并進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)不合格則重新進(jìn)行處理。

（3）業(yè)主按照設(shè)計(jì)要求采購(gòu)合格的法蘭（材質(zhì)為耐腐蝕敏感性良好的雙向不銹鋼），各方對(duì)法蘭驗(yàn)收合格后，采用φ1.6 mm、牌號(hào)ER2594焊絲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，更換原法蘭。

（4）對(duì)更換的法蘭焊縫按照原驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，合格后，關(guān)閉不符合項(xiàng)報(bào)告。

3 結(jié)論

針對(duì)某核電站海水管路系統(tǒng)調(diào)試期間的泄漏問(wèn)題，通過(guò)對(duì)人員資質(zhì)及技能、技術(shù)文件、材料材質(zhì)及性能等方面進(jìn)行排查，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)各要素排查，明確裂紋和腐蝕的產(chǎn)生滿足應(yīng)力腐蝕的三要素[8]：a. 敏感材質(zhì)，管道材料為S32750，是鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料中鐵素體含量不足，因此管道對(duì)氯離子敏感;b. 該腐蝕位置所處位置在裂紋前存在局部腐蝕，且存在振動(dòng)和管道內(nèi)部壓力，同時(shí)法蘭側(cè)因結(jié)構(gòu)因素存在應(yīng)力集中問(wèn)題;c. 管道運(yùn)行介質(zhì)為海水，氯離子含量較高，屬于特定腐蝕介質(zhì)。

（3）要解決腐蝕問(wèn)題，需消除應(yīng)力腐蝕三要素的條件，由于結(jié)構(gòu)和所在介質(zhì)環(huán)境固定，因此可通過(guò)更換非敏感材質(zhì)且質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求的雙相不銹鋼材質(zhì)的法蘭解決該問(wèn)題。

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