低壓氮氣系統(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,將導致機組失去氮氣供應,影響相關系統(tǒng)重要箱罐的氮氣覆蓋,產生重大安全隱患。低壓氮氣系統(tǒng)管件多采用304或316不銹鋼,在正常服役過程中具有較長的使用壽命,然而,在某些條件下,管件會因應力腐蝕開裂而過早失效。針對不銹鋼應力腐蝕開裂的原因,國內外從服役環(huán)境、材料的成分和組織等方面進行了較多研究。LIU等[1-2]研究了氯離子濃度對循環(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奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋擴展速率的影響；FéRON等[6]在研究304和316不銹鋼時發(fā)現(xiàn),表面噴丸后的試樣在高溫高壓水環(huán)境中浸泡時氧化膜會發(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層,產生了一層非常細小的晶粒,且有較大的殘余應力,這些變化共同促進了應力腐蝕裂紋的萌生。另外,機械冷加工對不銹鋼應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[8-11]中分析了冷加工產生的殘余應力應變及其對微觀結構的破壞、晶粒尺寸等對應力腐蝕的影響。上述因素在特定條件下均會成為不銹鋼管件過早失效的重要原因之一。

像其他機械部件一樣,不銹鋼管件失效是因為其產生了薄弱環(huán)節(jié),對于預先存在的材料缺陷,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)低壓氮氣系統(tǒng)某閥門下游不銹鋼三通存在氮氣外泄現(xiàn)象,進一步檢查發(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象,對其開展顯微組織分析、斷口微觀形貌觀察、電化學性能檢測等。從微觀組織結構、服役環(huán)境、生產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)生應力腐蝕開裂。

1. 理化檢驗

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物,腐蝕產物分布與裂紋一致。

圖 1 失效三通的宏觀形貌

Figure 1. Macroscopic morphology of the failed tee-junction

1.2 化學成分分析及硬度檢測

由表1和2可見：開裂三通C元素含量遠高于GB/T 14975-2012《結構用不銹鋼無縫鋼管》中022Cr19Ni10中C元素含量標準上限,與設計材質不符；且開裂三通硬度最大值為371 HV,遠高于GB/T 14975-2012對022Cr19Ni10不銹鋼管的硬度要求（≤200 HV）。直管段化學成分及硬度均符合標準要求。

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,這表明三通在生產過程中存在較大冷變形,且未進行固溶處理或固溶處理不充分,大量滑移線保留在基體中,這也是導致三通硬度過高的原因。進一步觀察發(fā)現(xiàn),裂紋起源于外表面,沿晶界由表面向基體內部擴展,晶界處存在點狀碳化物。三通管壁外側局部發(fā)生嚴重的沿晶腐蝕及點蝕,部分裂紋產生于蝕坑底部。

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)、細晶區(qū)以及混晶區(qū)。粗晶區(qū)為焊接時奧氏體晶粒嚴重長大的區(qū)域,冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織；細晶區(qū)為焊接時發(fā)生再結晶,晶粒細?。欢炀^(qū)則為焊接過程中發(fā)生不完全再結晶的區(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物。EDS結果表明：腐蝕產物中除含有較多的Fe和O外,還存在較多的Cl元素,見圖5。結合顯微組織觀察結果及宏觀形貌觀察結果可知,低壓氮氣系統(tǒng)三通開裂為Cl-引起的沿晶應力腐蝕開裂。

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 斷口表面腐蝕產物的EDS分析位置和結果

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

1.5 電化學測試

由圖6及表3可見：開裂三通和直管段試樣的點蝕電位（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8頁, 共186頁