低壓氮?dú)庀到y(tǒng)是核電站的重要系統(tǒng)之一,若其管道因開裂而發(fā)生泄漏,將導(dǎo)致機(jī)組失去氮?dú)夤?yīng),影響相關(guān)系統(tǒng)重要箱罐的氮?dú)飧采w,產(chǎn)生重大安全隱患。低壓氮?dú)庀到y(tǒng)管件多采用304或316不銹鋼,在正常服役過程中具有較長(zhǎng)的使用壽命,然而,在某些條件下,管件會(huì)因應(yīng)力腐蝕開裂而過早失效。針對(duì)不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的原因,國(guó)內(nèi)外從服役環(huán)境、材料的成分和組織等方面進(jìn)行了較多研究。LIU等[1-2]研究了氯離子濃度對(duì)循環(huán)冷卻水中316L不銹鋼耐蝕性的影響；杜東海等[3-5]研究了高溫水中氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的影響；FéRON等[6]在研究304和316不銹鋼時(shí)發(fā)現(xiàn),表面噴丸后的試樣在高溫高壓水環(huán)境中浸泡時(shí)氧化膜會(huì)發(fā)生開裂；TURNBULL等[7]研究發(fā)現(xiàn),打磨后的304不銹鋼試樣表面有一層明顯的變質(zhì)層,產(chǎn)生了一層非常細(xì)小的晶粒,且有較大的殘余應(yīng)力,這些變化共同促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生。另外,機(jī)械冷加工對(duì)不銹鋼應(yīng)力腐蝕性能的影響主要集中在冷軋、彎曲和拉伸等整體變形方面,在文獻(xiàn)[8-11]中分析了冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力應(yīng)變及其對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的破壞、晶粒尺寸等對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響。上述因素在特定條件下均會(huì)成為不銹鋼管件過早失效的重要原因之一。

像其他機(jī)械部件一樣,不銹鋼管件失效是因?yàn)槠洚a(chǎn)生了薄弱環(huán)節(jié),對(duì)于預(yù)先存在的材料缺陷,服役過程中的環(huán)境腐蝕及安裝過程的安裝工藝偏差等均能夠加速不銹鋼管件執(zhí)行功能的喪失。某核電廠巡檢過程中,發(fā)現(xiàn)低壓氮?dú)庀到y(tǒng)某閥門下游不銹鋼三通存在氮?dú)馔庑宫F(xiàn)象,進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該三通存在線狀缺陷,且附近有褐色銹跡。筆者以該失效不銹鋼三通為分析對(duì)象,對(duì)其開展顯微組織分析、斷口微觀形貌觀察、電化學(xué)性能檢測(cè)等。從微觀組織結(jié)構(gòu)、服役環(huán)境、生產(chǎn)工藝等方面分析單因素或多因素耦合作用下不銹鋼三通發(fā)生開裂失效的根本原因,避免不銹鋼管件在服役過程中再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

由圖1可見：三通與法蘭、直管分別以焊接形式連接,開裂位置位于三通側(cè)且近焊縫的母材區(qū)域。裂紋呈線狀沿管件環(huán)向分布,周圍存在黃褐色腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物分布與裂紋一致。

圖 1 失效三通的宏觀形貌

Figure 1. Macroscopic morphology of the failed tee-junction

1.2 化學(xué)成分分析及硬度檢測(cè)

由表1和2可見：開裂三通C元素含量遠(yuǎn)高于GB/T 14975-2012《結(jié)構(gòu)用不銹鋼無縫鋼管》中022Cr19Ni10中C元素含量標(biāo)準(zhǔn)上限,與設(shè)計(jì)材質(zhì)不符；且開裂三通硬度最大值為371 HV,遠(yuǎn)高于GB/T 14975-2012對(duì)022Cr19Ni10不銹鋼管的硬度要求（≤200 HV）。直管段化學(xué)成分及硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 顯微組織觀察

由圖2可見：開裂三通基體金相組織為奧氏體,有明顯的孿晶和大量滑移線,這表明三通在生產(chǎn)過程中存在較大冷變形,且未進(jìn)行固溶處理或固溶處理不充分,大量滑移線保留在基體中,這也是導(dǎo)致三通硬度過高的原因。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),裂紋起源于外表面,沿晶界由表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展,晶界處存在點(diǎn)狀碳化物。三通管壁外側(cè)局部發(fā)生嚴(yán)重的沿晶腐蝕及點(diǎn)蝕,部分裂紋產(chǎn)生于蝕坑底部。

圖 2 三通開裂區(qū)域的顯微組織

Figure 2. Microstructure of the cracked tee-junction at cracking area

由圖3可知,焊縫及熱影響區(qū)寬度約為8 mm；焊縫至母材區(qū)域的組織變化較大,分別為焊縫區(qū)域枝晶組織、靠近熔合線的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)以及混晶區(qū)。粗晶區(qū)為焊接時(shí)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大的區(qū)域,冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織；細(xì)晶區(qū)為焊接時(shí)發(fā)生再結(jié)晶,晶粒細(xì)小；而混晶區(qū)則為焊接過程中發(fā)生不完全再結(jié)晶的區(qū)域,該區(qū)域部分保留原始組織,因此晶粒大小不均勻。沿晶裂紋位于混晶區(qū)邊緣。

圖 3 焊縫至裂紋區(qū)域的顯微組織

Figure 3. Microstructure from weld to crack area

1.4 SEM形貌觀察及能譜分析

由圖4可見：斷口呈現(xiàn)冰糖塊狀斷裂形貌,為典型的沿晶斷裂；靠近三通外表面斷口均存較多腐蝕產(chǎn)物。EDS結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物中除含有較多的Fe和O外,還存在較多的Cl元素,見圖5。結(jié)合顯微組織觀察結(jié)果及宏觀形貌觀察結(jié)果可知,低壓氮?dú)庀到y(tǒng)三通開裂為Cl-引起的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。

圖 4 開裂三通斷口區(qū)域及近表面斷口區(qū)域的微觀形貌

Figure 4. Micro-morphology of the fracture area (a) and near surface fracture area (b) of the cracked tee-junction

圖 5 斷口表面腐蝕產(chǎn)物的EDS分析位置和結(jié)果

Figure 5. EDS analysis lacation (a) and results (b) of corrosion products on fracture surface

1.5 電化學(xué)測(cè)試

由圖6及表3可見：開裂三通和直管段試樣的點(diǎn)蝕電位（Eb）分別為0.028 V和0.120 V。與直管段試樣相比,開裂三通試樣鈍化區(qū)明顯縮短,自腐蝕電流密度（J 首頁 上一頁 下一頁 尾頁 第41頁, 共219頁