金屬作為主要結構材料，在工業領域發揮著重要作用。在實際生產、運輸和裝配過程中，金屬表面常常會出現劃傷缺陷。金屬構件在特定的服役環境中，表面劃傷缺陷處的力學狀態、水化學環境都具有一定的復雜性，這嚴重影響了金屬構件的服役安全，降低了其服役壽命。在現有工程環節，核電站蒸汽發生器傳熱管表面劃傷問題難以避免。在高溫高壓水服役環境中，表面帶有劃傷的傳熱管面臨著發生應力腐蝕開裂（SCC）的風險，潛在影響著核電站的安全穩定運行。因此，理清表面劃傷的變形行為、破壞機制及其對傳熱管SCC抗力的影響具有十分重要的意義。

表面劃傷及其影響因素

早在19世紀，MOHS就采用劃傷法科學地比較了兩種材料的硬度，開啟了對表面劃傷問題研究的先河。

至今，劃傷測試還廣泛應用于金屬、高分子材料及涂層等領域以評估材料的硬度、耐劃傷性能、涂層與基材的結合強度、金屬表面鈍化膜的再鈍化性能等。此外，劃傷還被應用于微納米加工過程，如壓痕光刻技術使用不同形狀的金剛石壓頭并通過控制載荷，在基材上可以形成具有不同凹坑或溝槽的圖案。

典型的表面劃傷過程可以描述為：以特定的力將硬而尖的壓頭壓入材料，壓頭以某一速度在基體表面層運動并使基體表面產生機械變形的過程。在表面劃傷過程中，材料的變形機制主要包括彈塑性變形、材料斷裂和碎屑分離。

劃傷過程和程度受以下三方面因素影響：

1｜壓頭幾何參數

在劃傷過程中，壓頭進給使基材發生變形，因此，壓頭的幾何參數會影響劃傷過程及基材的損傷特征。實際工程中的劃傷，也因劃傷來源不同，對應不同的劃傷形貌（深度、寬度、角度等）。

壓頭尖端形狀影響著劃傷凹槽的變形情況，如相比于立方角狀壓頭，球狀壓頭造成的劃傷影響區塑性變形較小。

圓錐形壓頭廣泛應用于模擬工程中金屬表面意外劃傷的研究，其最關鍵的幾何參數之一為錐形壓頭攻角（錐形壓頭半角的余角）。研究表明，使用大攻角的錐形壓頭進行劃傷時，劃傷凹槽前端塑性變形更為劇烈，但其所造成的劃傷影響區小于小攻角壓頭。

2｜劃傷速率

在評估涂層與基材結合力的劃傷試驗中，涂層分離的驅動力是由彈性變形應力、摩擦應力及涂層內部殘余應力共同構成的。涂層恰好發生破壞時所施加的法向載荷稱為臨界載荷，涂層對基材的附著力決定了臨界載荷的大小。另外，劃傷速率還可能會影響劃傷凹槽區域的物相組成。

3｜載荷

根據理論模型研究表明，劃傷載荷的大小影響著劃傷影響區的變形特點。研究發現隨著法向力的增大，劃傷變形從彈性變形向塑性變形轉變，最終發展為斷裂；隨著法向力的不斷增大，劃傷過程由摩擦變形轉變為犁耕變形。此外，劃傷載荷還影響著劃傷凹槽的形貌。如有研究發現隨著載荷的增大，劃傷凹槽兩側的堆積峰變高，磨損量與應變、載荷呈正比。

傳熱管材料及其服役環境

蒸汽發生器是壓水堆核電站的關鍵部件之一，它的主要功能是將熱量從一回路傳至二回路，形成高溫蒸汽進而推動汽輪機發電。蒸汽發生器的主要金屬構件有傳熱管、管板和管支撐。傳熱管是蒸汽發生器的核心部件，由于長期服役于苛刻的高溫高壓水工況中，其腐蝕和應力腐蝕開裂（SCC）問題是威脅壓水堆核電站安全運行的重要因素。

早期傳熱管材料常采用奧氏體不銹鋼及鎳基600合金，但在運行過程中均出現了嚴重的SCC。為了解決這個問題，人們不斷開發出各種傳熱管材料。1992年，加拿大B＆W公司Millstone 2號反應堆開始使用鎳基690TT合金作為傳熱管材料。得益于較高的Cr含量，鎳基690TT合金作為新型傳熱管材料，無論是處于幾何縫隙內、含氯、含鉛環境，還是在除氧高純水等環境中，其SCC抗力均顯著優于鎳基600合金和304型不銹鋼。目前，鎳基690TT合金因出色的抗SCC性能，已經成為壓水堆核電站最廣泛使用的蒸汽發生器傳熱管材料。

蒸汽發生器傳熱管服役環境為高溫高壓水環境。在二回路側，腐蝕和SCC多發于傳熱管和管板頂端區域、管板頂端表面附近的淤泥區、管支撐與傳熱管間的傳熱縫隙區，如下圖所示。

蒸汽發生器中產生傳熱縫隙的幾何結構：（ａ） 管板頂端縫隙；（ｂ） 管板頂端淤泥區；（ｃ） 管支撐

傳熱縫隙中存在著因過程蒸發導致的離子濃縮和沉積效應，導致Na+，K+，Ca2+，Cl-，SOx等雜質離子局部濃縮富集。在傳熱管與管支撐的接觸區域，傳熱縫隙內的雜質離子濃縮濃度可以增大六個數量級，形成侵蝕性極強的局部環境。傳熱縫隙內的溫度、雜質離子濃度、電化學勢及流體性質呈劇烈的梯度變化，這極大地促進了腐蝕和SCC過程。此外，在壓水堆核電站運行過程中添加的藥劑也使得雜質離子種類變得復雜多樣。例如，為了降低二回路中溶解氧（DO）含量和蒸汽發生器用合金材料的腐蝕電位，二回路的給水通路中通常會加入聯氨（N2H4）等藥劑。聯氨的加入可使SO42-被還原成為低價S，如HS-、H2S、S4O62-和S2O32-等。

可見，傳熱管服役環境復雜而苛刻，極易受到局部腐蝕的影響。

傳熱管表面劃傷致應力腐蝕失效案例

蒸汽發生器傳熱管約占一回路邊界承壓面積的80%，而現行通用的傳熱管壁厚為1~1.2mm。運行經驗表明，傳熱管是一回路壓力邊界處的脆弱部位之一。傳熱管一旦失效，可能導致放射性物質由一回路泄漏至二回路，嚴重時需進行停堆堵管處理。

目前世界上已發生了多起由表面劃傷缺陷導致的蒸汽發生器傳熱管SCC失效案例，其中兩個典型案例如下：

01 1992年McGuire2號堆的蒸汽發生器傳熱管發生了泄漏事故。

對事故構件進行失效分析發現，裂紋萌生于傳熱管自由端區域，而傳統認為該區域不易發生SCC。相比而言，暴露于工況條件更為苛刻的濃縮環境中（即傳熱縫隙之中）的管段卻未發生失效；而傳熱管自由端的表面卻發生了失效，且裂紋萌生于傳熱管表面劃傷缺陷的位置，這受到了人們的廣泛關注。

02 由美國Duke公司于1973年4 月投入商業運營的Oconee核電站的1號、2號反應堆曾發生過蒸汽發生器傳熱管的SCC。

工作人員經過檢查，取出了7根問題傳熱管，經分析，其中一根取自自由端的600合金傳熱管，在表面劃傷處出現了SCC裂紋的萌生與擴展，且其裂紋擴展最深部已到達了管壁約47%厚度處。對多根管段進行測試，結果表明裂紋大都沿合金管制造和組裝過程中所形成的不同程度表面劃傷凹槽部位擴展。對傳熱管進行爆破測試，該管在最小的爆破壓力條件下就發生了破裂。

表面劃傷缺陷對傳熱管服役過程中的SCC抗力有著極大的影響，理清其損傷機制，科學地評估各種條件下表面劃傷對SCC抗力的影響，對于核電站的安全運行具有重要意義。

目前，表面劃傷致SCC失效案例均出現在600合金傳熱管上。雖然現役690TT合金的SCC抗力遠高于600合金的，但這并不意味著690TT合金未來就不存在SCC開裂風險。

傳熱縫隙區工況苛刻，一旦該區域出現劃傷，其危害程度就會大大加深，故需要通過試驗評估。此外，長期服役的傳熱管材料還面臨熱老化等因素的影響。研究表明，熱老化690合金的SCC敏感性會提升至與高冷變形690合金相似的水平。

綜合這些因素，如果出現表面劃傷損傷，長期服役的690合金依然面臨SCC風險。美國等核電發達國家都積極開展了核電站延壽工作，其中已有部分延壽至60年以上，我國也處于核電延壽工作評估流程、標準建立的重要時期，故研究傳熱管劃傷的影響，具有現實意義。

傳熱管表面劃傷的來源

在生產制造、運輸及安裝這三個環節，蒸汽發生器傳熱管都可能會出現表面劃傷。

#在傳熱管的生產制造環節

因設備及人為原因誤操作，可能會給傳熱管表面造成劃傷、刻痕缺陷，這其中既可能在傳熱管外表面（即二回路側）造成表面劃傷，也可能在傳熱管內表面（即一回路側）造成劃傷。隨著制造工藝的改良、加工精度的提高、生產人員操作水平和意識的增強及諸如役前渦流檢測等質量檢測手段的進步，在傳熱管生產制造環節出現表面劃傷問題的可能性已經越來越低。

#在傳熱管的運輸環節

因管材搬運、長途運輸、封裝、吊運過程中的疏忽和防范意識缺失，可能會在傳熱管表面造成劃傷缺陷。人們已經認識到保護傳熱管表面狀態的重要性，加強了運輸過程中對管材表面的保護，故在傳熱管運輸環節出現表面劃傷問題的可能性也越來越低。

#在傳熱管的安裝環節

穿管階段一旦操作不當，傳熱管與管板間會產生接觸式的線性相對運動，導致傳熱管外壁出現劃傷。為避免管板與傳熱管之間的微小振動，避免出現傳熱縫隙，減小傳熱管與管板間發生微動磨損和縫隙腐蝕的可能，在核電站設計與安裝時，穿管后通常要進行液壓脹接。液壓脹接階段，一方面，芯軸要經過多次使用，其配件常出現磨損和起毛邊、碎屑的現象；另一方面，液壓脹管前諸如封口焊等工序也會在傳熱管內部形成金屬屑，帶有這類問題的芯軸插入傳熱管脹接區時，與傳熱管內表面間產生摩擦，會對內表面造成劃傷。

傳熱管表面劃傷導致的應力腐蝕研究

研究人員針對蒸汽發生器傳熱管表面劃傷導致的應力腐蝕進行了各種試驗分析與研究，得到以下結論：

表面劃傷會使材料表面和距表面不同距離區域產生不同程度的變形，將會對傳熱管近表面造成微觀結構梯度改變，通常會促進高溫高壓水中傳熱管表面的SCC裂紋萌生和擴展。

劃傷凹槽底部不僅在劇烈變形層與未變形基體之間存在應變變化，而且變形層內部本身也存在應變的梯度分布。研究表明冷變形會顯著提高鎳基合金在高溫水中的SCC敏感性。冷變形區域會發生硬化和應力集中，同時伴隨產生大量的空位和位錯等晶體缺陷，從而削弱了高應變區的抗SCC性能，在拉應力作用下更易出現SCC裂紋。此外，冷變形也會提高SCC裂紋尖端的氧化速率。出現在晶界和變形區的SCC裂紋尖端陰離子擴散加快，優先發生氧化，加速腐蝕發生和SCC裂紋的擴展。

材料內部的殘余應力會影響SCC行為，尤其是處于近表面或微裂紋尖端附近的殘余應力。劃傷變形區的殘余應力分布不均，差異明顯。

材料微觀結構梯度變化將對傳熱管SCC抗力產生影響。劃傷過程中產生的滑移帶、機械撕裂微裂紋、高度變形的晶界、高能亞穩態晶體區域等都有利于SCC裂紋的萌生和擴展。

此外，因劃傷帶來的幾何形貌改變，表面劃傷凹槽底部在SCC測試中易產生應力集中，從而促進SCC裂紋萌生。當應力集中到一定程度時，局部應力逐漸超過材料的抗拉強度，就會形成機械裂紋。在外界載荷不斷增加的條件下，這類機械裂紋不斷張開，始終無法達到穩定鈍化狀態，處于活化狀態的裂紋尖端與高溫高壓腐蝕介質持續作用。恒載時，機械裂紋不再擴展，若該機械裂紋末端終止于晶粒內部，裂紋便不再保持活化狀態，繼續增大外加應力，裂紋就會趨于穿晶擴展；若該裂紋終止于晶界附近，即使在恒載作用下，裂紋也會發生沿晶擴展。

傳熱管表面劃傷的修復措施

在工程上，對于傳熱管表面劃傷位置，常用的處理方法是對劃傷凹槽部位進行均勻打磨，其處理原則為將劃傷凹槽附近的表面毛刺去除。對于較深的劃傷凹槽，由于不能對傳熱管進行過度減薄，因而只將凸起部位的毛刺去除，以降低表面局部異質度。但經處理后的傳熱管表面劃傷位置依然存在著劃傷凹槽，服役時劃傷區下方仍保持著局部變形。表面的打磨再處理會對劃傷凹槽附近的周圍局部組織產生顯著影響，進而影響其腐蝕抗力，因此需要進一步通過試驗研究對其進行科學評估。

結束語

綜上所述，表面劃傷問題是影響以核電站蒸汽發生器傳熱管為代表的金屬結構件服役壽命的一個重要因素。基于已有的研究，仍存在一些亟待解決的問題和潛在的研究方向：

1根據表面劃傷變形模型將材料在劃傷過程中的變形行為大致分為彈塑性變形、材料斷裂和碎屑分離這三個變形階段，取得了一系列的試驗驗證結果。然而劃傷是一個多種變形形式復合的過程，影響因素多而復雜。現階段對于表面劃傷變形模型、損傷機理的研究，一方面多采用有限元模擬方法而缺少試驗驗證；另一方面缺少金屬的晶粒與壓頭間接觸的相互作用模擬及后續試驗驗證。

2對于不同幾何參數、不同劃傷速率及不同載荷作用下的劃傷，尚缺乏對劃傷影響區進行較為系統的微觀結構分析表征，定量描述劃傷損傷程度的方式也較為簡化。在今后的研究中，需要對不同變形參數下劃傷影響區產生的微觀結構梯度變化、局部力學性能變化、殘余應力／應變分布等的影響進行研究。

此外，應從三方面優化劃傷損傷程度定量方式：第一，引入諸如劃傷凹槽深寬比、兩側塑性剝離堆積截面積等參量對劃傷凹槽的幾何參數進行描述；第二，研究中應注重對劃傷速率進行定量描述；第三，從諸如梯度材料的分層、殘余應變的分布、硬度的分布等微觀結構組織角度進行描述。增強對金屬表面劃傷的變形行為和損傷特點的認識。

3SCC由材料、應力、環境三方面因素共同決定。表面劃傷帶來的微觀結構梯度、微區應力集中損傷、材料局部缺陷極大地影響了帶有表面劃傷的金屬材料的SCC抗力，但其具體作用機制尚不清晰。在材料方面，劃傷引發材料近表面產生宏觀撕裂微裂紋和變形影響區，內部具有大量亞穩態微觀晶體缺陷、晶界扭曲；應力方面，劃傷造成嚴重的微區應力集中；環境方面，水化學（如溶解氧、溶解氫、pH、雜質離子等）、溫度、壓強等條件都會影響腐蝕過程。由此，針對以上影響因素分別開展腐蝕測試試驗，嚴格控制變量，以此衡量不同影響因素對SCC的貢獻，建立多因素耦合的數值評估模型，闡明帶有表面劃傷的金屬材料的SCC機制，具有重要的科學意義。

4表面劃傷問題影響著蒸汽發生器傳熱管服役性能和核電站安全運行，劃傷誘發的傳熱管SCC失效，已引起核電行業的重視，但相關研究仍不成熟。工程現場的劃傷因其來源和尺寸紛繁復雜，例如，對于不同管子支撐板孔，尤其是梅花管孔在其不同尺寸公差下所形成的表面劃傷及其他各類人為因素導致的穿管表面劃傷，脹管表面劃傷等情形缺乏系統調研。對傳熱管各類表面劃傷程度展開系統調研，建立不同類型、不同尺寸公差的傳熱管支撐結構的表面劃傷模型，具有重要的工程意義。

5目前，690合金傳熱管表面劃傷的安全閾值在國際范圍內沒有統一的結論。究竟什么尺寸的表面劃傷是工程應用中可以接受的？這需要對不同尺寸的劃傷進行高溫高壓水環境腐蝕試驗。另一方面，針對傳熱管表面不同尺寸的劃傷缺陷，提出適當的修復手段和方法，并對修復工藝進行有效評估，從而為蒸汽發生器的制造提供指導意見，同樣具有重要的工程意義。