某核電廠核級(jí)設(shè)備法蘭泄漏監(jiān)測(cè)管開裂原因

楊興旺 ,馬若群 ,許新竹

(1.江蘇核電有限公司,連云港 222042;2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能和力學(xué)性能,被廣泛用于核電設(shè)備中。然而,奧氏體不銹鋼設(shè)備在含氯介質(zhì)中常發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,當(dāng)裂紋擴(kuò)展直至貫穿設(shè)備壁厚時(shí),將影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前,國內(nèi)外關(guān)于奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的報(bào)道較多[1-2]。

國內(nèi)某機(jī)組核級(jí)設(shè)備法蘭設(shè)置了泄漏監(jiān)測(cè)管,用于監(jiān)測(cè)設(shè)備法蘭兩道密封圈之間的壓力,泄漏監(jiān)測(cè)管的一端連接核級(jí)設(shè)備,另一端連接壓力表,當(dāng)法蘭發(fā)生泄漏時(shí),設(shè)備中的介質(zhì)會(huì)流入泄漏監(jiān)測(cè)管,壓力表可監(jiān)測(cè)其壓力變化。泄漏監(jiān)測(cè)管采用的是俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 5632-1972《高合金鋼和耐蝕耐高溫合金等級(jí)》中的08X18H10T 不銹鋼,規(guī)格為φ14 mm×2 mm,類似于GB 13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》中的06Cr18Ni11Ti鋼。在該機(jī)組運(yùn)行1 a后的大修期間,某核級(jí)設(shè)備法蘭多根泄漏監(jiān)測(cè)管發(fā)生開裂。

本工作通過一系列的檢驗(yàn),對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管開裂的原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議,以期避免該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

對(duì)該核級(jí)設(shè)備法蘭泄漏監(jiān)測(cè)管上的裂紋進(jìn)行觀察。由圖1可見,裂紋主要分布在彎頭或兩個(gè)彎頭之間的直管段,區(qū)域Ⅰ處的裂紋與環(huán)向夾角約呈10°～45°,彎管段(區(qū)域Ⅱ)上的裂紋位置在泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)弧側(cè)。

圖1 開裂泄漏監(jiān)測(cè)管的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked leak monitoring tube: (a)overall morphology;(b) enlarged morphology of area Ⅰ

將泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段沿縱向剖開,觀察開裂位置內(nèi)、外表面的宏觀形貌。由圖2可見,泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面開裂位置附近有大量黃褐色腐蝕產(chǎn)物。

圖2 泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracked position of leak monitoring tube bend section

1.2 幾何尺寸測(cè)量

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)開裂的泄漏監(jiān)測(cè)管進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,其化學(xué)成分符合ТУ 14-3P-197-2001標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)08X18H10T 不銹鋼的技術(shù)要求。

表1 開裂泄漏監(jiān)測(cè)管的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of cracked leak monitoring tube %

1.4 拉伸試驗(yàn)

對(duì)開裂的泄漏監(jiān)測(cè)管進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試,結(jié)果見表2,其室溫拉伸性能符合ту 14-3P-197標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)08X18H10T 不銹鋼的技術(shù)要求。

表2 開裂泄漏監(jiān)測(cè)管的室溫拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of cracked leak monitoring tube

1.5 金相檢驗(yàn)

1.5.1 裂紋檢驗(yàn)

在泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置截取金相環(huán)試樣,對(duì)其進(jìn)行顯微組織觀察。由圖3可見:泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置存在多條裂紋,裂紋起源于監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面的腐蝕坑,裂紋尖端呈樹枝狀;裂紋貫穿整個(gè)管壁,呈典型的沿晶開裂形貌;泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面存在腐蝕坑,外表面未見異?，F(xiàn)象。

圖3 泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of cracked position of leak monitoring tube bend section: (a) low magnification;(b) high magnification

在泄漏監(jiān)測(cè)管直管段(區(qū)域1)開裂位置截取試樣,采用光學(xué)顯微鏡觀察其表面裂紋的微觀形貌。如圖4所示,泄漏監(jiān)測(cè)管直管段內(nèi)表面有腐蝕坑,裂紋尖端呈樹枝狀,其他區(qū)域未見明顯異?，F(xiàn)象。

圖4 泄漏監(jiān)測(cè)管直管段開裂位置的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of cracked position of leak monitoring tube straight section

1.5.2 顯微組織觀察及非金屬夾雜物檢驗(yàn)

在泄漏監(jiān)測(cè)管直管段與彎管段的未開裂位置截取試樣,對(duì)其進(jìn)行顯微組織觀察和非金屬夾雜物檢驗(yàn)。由圖5可見,泄漏監(jiān)測(cè)管直管段與彎管段的組織均為奧氏體,其晶粒度均為8～10級(jí),非金屬夾雜物等級(jí)和晶粒度均符合ТУ 14-3P-197-2001標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)08X18H10T 不銹鋼的技術(shù)要求。

圖5 泄漏監(jiān)測(cè)管未開裂位置的非金屬夾雜物和顯微組織的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of non-metallic inclusions (a)and microstructure (b) of leak monitoring tube uncracked position

1.6 硬度測(cè)試

在開裂的泄漏監(jiān)測(cè)管直管段和彎管段的不同位置截取試樣,對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試。由表3可見,彎管段的硬度高于直管段的,俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)其硬度進(jìn)行規(guī)定,彎管段的硬度超出GB 13296-2013標(biāo)準(zhǔn)要求,直管段的硬度符合GB 13296-2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

以人教版高中地理必修3第二章的《荒漠化的防治──以我國西北地區(qū)為例》為例，在教學(xué)過程中，筆者就要通過糧食危機(jī)入手，通過糧食危機(jī)引入到西北地區(qū)荒漠化，再將大氣變化、水循環(huán)與水資源切入到荒漠化的防治中，整個(gè)教學(xué)過程跳出了教材的“規(guī)定動(dòng)作”。而是以更綜合的資源入水，通過資源的合理運(yùn)用到持續(xù)發(fā)展來創(chuàng)新教學(xué)過程。這樣一來，不僅教學(xué)過程言之有物，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來易于接受，而且使單一的知識(shí)變成對(duì)過往知識(shí)的綜合運(yùn)用，促進(jìn)了學(xué)生綜合思維的培養(yǎng)。

表3 開裂泄漏監(jiān)測(cè)管直管段和彎管段不同位置的硬度Tab.3 Hardness of different positions of straight tube section and bend tube section of cracked leak monitoring tube

1.7 掃描電鏡及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM),觀察泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置靠近內(nèi)表面的形貌。由圖6可見,泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面存在大量的腐蝕產(chǎn)物、裂紋和腐蝕坑。采用能譜儀(EDS),對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置內(nèi)、外表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS 分析。由表4 可見,其內(nèi)、外表面均存在腐蝕性元素硫和氯。

表4 泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置內(nèi)、外表面不同位置的EDS檢測(cè)結(jié)果Tab.4 EDS test results of inner and outer surfaces of cracked position of leak monitoring tube bend section %

圖6 泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置靠近內(nèi)表面的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of inner surface near cracked position of leak monitoring tube bend section

1.8 斷口分析

將泄漏監(jiān)測(cè)管直管段沿裂紋斷開后,觀察其斷口的宏觀形貌。如圖7所示,斷口未發(fā)生宏觀塑性變形,呈脆性斷裂的形貌特征,泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物明顯多于其外表面的。進(jìn)一步觀察放大后斷口內(nèi)表面,如圖8(a)所示,斷口呈脆性穿晶開裂的形貌特征,無明顯疲勞斷裂特征,靠近監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面有一層腐蝕產(chǎn)物,其外表面幾乎無腐蝕產(chǎn)物。

圖7 泄漏監(jiān)測(cè)管直管段沿裂紋斷開后的斷口宏觀形貌Fig.7 Fracture macro morphology after leak monitoring tube straight section breaked along the crack

對(duì)斷口靠近內(nèi)表面的腐蝕坑進(jìn)行EDS分析,結(jié)果見圖8(b),該處存在少量的氯元素。

圖8 泄漏監(jiān)測(cè)管直管段斷口內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物的EDS檢測(cè)位置和檢測(cè)結(jié)果Fig.8 EDS test position (a) and test results (b) of inner surface of straight section fracture of leak monitoring tube

2 分析與討論

泄漏監(jiān)測(cè)管直管段的幾何尺寸、化學(xué)成分、拉伸性能、硬度及顯微組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,其彎管段的硬度明顯高于直管段的,該泄漏監(jiān)測(cè)管的加工方式為現(xiàn)場(chǎng)冷彎成形,由此可判斷其彎管段的硬度偏高是由冷彎形變硬化引起的。

通過金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段一側(cè)起弧處有多條裂紋,裂紋主要分布在彎管段內(nèi)弧側(cè)。通過掃描電鏡及能譜分析結(jié)果可知:泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段開裂位置內(nèi)表面有大量黃褐色腐蝕產(chǎn)物和少量腐蝕坑,靠近外表面幾乎無腐蝕產(chǎn)物,該處內(nèi)、外表面和沿裂紋斷開后的斷口處除了有氧元素和基體元素(鐵、鉻和鎳)外,還有少量氯元素;彎管段開裂位置有多條裂紋,裂紋均起源于內(nèi)表面的腐蝕坑,且裂紋貫穿整個(gè)泄漏監(jiān)測(cè)管壁,呈典型的穿晶開裂形貌特征,裂紋尖端呈樹枝狀。

根據(jù)電廠水化學(xué)大綱,機(jī)組在正常運(yùn)行工況下,一回路氯離子含量限值為100 μg/L,二回路氯離子含量限值為50 μg/L,氯離子含量低于該限值時(shí),泄漏監(jiān)測(cè)管不會(huì)發(fā)生腐蝕,因此判斷該泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)表面氯離子含量存在異常。

調(diào)取該開裂泄漏監(jiān)測(cè)管在運(yùn)行期間的壓力曲線,如圖9所示,可見壓力曲線波動(dòng)明顯,這說明法蘭密封面發(fā)生泄漏,使得腐蝕性元素進(jìn)入泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)。

圖9 運(yùn)行期間泄漏監(jiān)測(cè)管的壓力曲線Fig.9 Pressure curve of leak monitoring tube during operaton

調(diào)停期間,對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)的溶液進(jìn)行成分分析,溶液樣品為黑色,說明泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)存在雜質(zhì)。由表5可見,溶液樣品中的Cl-含量均高于其在一回路和二回路中的限值。在機(jī)組運(yùn)行1 a后的首次大修期間,發(fā)現(xiàn)泄漏監(jiān)測(cè)管開裂,由于運(yùn)行時(shí)間較短,該泄漏監(jiān)測(cè)管下游的閥門處于關(guān)閉狀態(tài),由此可判斷,在運(yùn)行前的安裝階段,泄漏監(jiān)測(cè)管可能存在沖洗不徹底的問題,導(dǎo)致管內(nèi)殘留了粉塵雜質(zhì)。

表5 調(diào)停期間泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)溶液的Cl-和SO42-含量Tab.5 Cl- and SO42- content of solution in leak monitoring tube during mediation

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中,未對(duì)冷彎成形后的泄漏監(jiān)測(cè)管彎管段進(jìn)行去應(yīng)力處理。冷彎成形后材料的變形抗力較高,材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)隨冷加工變形程度的增加而升高[3],其塑性會(huì)隨冷加工變形程度的增加而逐漸下降,材料表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象[4]。冷加工變形會(huì)誘發(fā)組織相變,這會(huì)使材料的應(yīng)力腐蝕敏感性提高[5-6],其應(yīng)力腐蝕開裂速率會(huì)隨冷加工變形程度的增加而增大。

綜上分析可知,該泄漏監(jiān)測(cè)管在安裝階段沖洗不徹底,導(dǎo)致氯離子殘留在管內(nèi),在氯離子聚集處首先形成腐蝕坑,溶液在腐蝕坑處聚集、濃縮,使腐蝕坑深度不斷增大[7],在應(yīng)力及腐蝕性介質(zhì)的共同作用下,該處首先形成裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致泄漏監(jiān)測(cè)管發(fā)生開裂。

受現(xiàn)場(chǎng)輻射環(huán)境和結(jié)構(gòu)空間的限制,核電機(jī)組運(yùn)行后,很難采取有效措施對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管進(jìn)行去應(yīng)力處理。在大修期間,可以采用去離子水對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管進(jìn)行沖洗,以降低其內(nèi)部的氯離子含量。經(jīng)兩次沖洗后,各部位的氯離子含量均低于正常運(yùn)行時(shí)二回路的氯離子含量限值,結(jié)果見表6。另外,法蘭密封面泄漏使腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi),這加速了管段的腐蝕,通過提高法蘭的密封性,也可避免泄漏監(jiān)測(cè)管發(fā)生開裂。

3 結(jié)論與建議

(1) 該泄漏監(jiān)測(cè)管的開裂形式為應(yīng)力腐蝕開裂。在安裝階段由于沖洗不徹底,氯離子殘留在監(jiān)測(cè)管內(nèi),在氯離子聚集處形成腐蝕坑,在應(yīng)力及腐蝕性介質(zhì)的共同作用下,該處首先產(chǎn)生裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致泄漏監(jiān)測(cè)管發(fā)生開裂。

(2) 在現(xiàn)場(chǎng)安裝期間,應(yīng)做好奧氏體不銹鋼管道的內(nèi)部清潔,防止污染物聚集。在大修期間,采用去離子水對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)管進(jìn)行清洗,以降低管道內(nèi)的氯離子含量。

(3) 采取有效措施提高法蘭的密封性,以保持泄漏監(jiān)測(cè)管內(nèi)部處于干燥狀態(tài)。