文/ 馬娜，王理·反應(yīng)堆燃料及材料國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　秦金光·江蘇核電有限公司

　　作者簡介

　　馬娜，助理研究員，碩士，2011年畢業(yè)于中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料專業(yè)，目前從事反應(yīng)堆材料結(jié)構(gòu)與性能研究，及核電站技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域工作。

　　本文以某核電站大修時發(fā)現(xiàn)壁厚減薄超標(biāo)而更換下來的管道件為研究對象，通過成分分析、微觀形貌分析和氧化膜分析等手段，結(jié)合管道的運(yùn)行工況環(huán)境分析，最終明確了這些管道的壁厚減薄模式分別為沖刷腐蝕、流動加速腐蝕和汽蝕，并提出針對性改進(jìn)措施建議。

　　核電站二回路的主蒸氣管道、主給水管線、凝結(jié)水管線、疏水管線、部分抽氣管線等用材主要是碳鋼。近年來，許多核電站出現(xiàn)了二回路碳鋼管道壁厚減薄現(xiàn)象，并由此引發(fā)了不少安全事故。1986年發(fā)生在美國Surry核電站中的冷凝水管道彎頭破裂事故，以及2004年發(fā)生在日本Mihama核電站中的給水管道破裂事故，均造成了人員傷亡。研究表明，這些管道發(fā)生破裂都是管道出現(xiàn)嚴(yán)重的壁厚減薄導(dǎo)致的。

　　某核電站在大修的超聲檢查中發(fā)現(xiàn)，二回路中部分小規(guī)格（管徑小于50mm）的彎管、彎頭和孔板出現(xiàn)了破口或壁厚減薄現(xiàn)象。針對此情況，在被更換下的壁厚減薄管道中選取了一些典型管段進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出應(yīng)對措施建議。由于管道樣品較多，本文僅給出具有代表性的兩個彎管和一個孔板管道樣晶的分析過程。

　　樣品選取

　　本文選取了三個樣晶進(jìn)行分析：I號為疏水系統(tǒng)中的彎管，2號為給水系統(tǒng)中的彎管，3號為疏水系統(tǒng)中的孔板。比較I號、2號彎管，研究流速對于壁厚減薄的影響；比較1號彎管、3號孔板，研究管內(nèi)流體狀態(tài)對壁厚減薄的影響。三個管道樣品材料均為20G優(yōu)質(zhì)碳鋼，其樣品尺寸信息和服役工況如表1所示。

　　1號彎管位于該核電站2號機(jī)組主蒸汽系統(tǒng)的高壓疏水管線系統(tǒng)中，高壓疏水器前，控制閥后。主蒸汽系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)高于疏水系統(tǒng)的壓力，故高壓管線疏水系統(tǒng)中流速較高。從該核電站系統(tǒng)流程圖冊中可以發(fā)現(xiàn)，在1號機(jī)組的相同位置設(shè)置有節(jié)流孔板，相應(yīng)彎管并未發(fā)生壁厚減薄現(xiàn)象。而1號彎管所在的2號機(jī)組相應(yīng)位置并未設(shè)置節(jié)流孔板，彎管發(fā)生明顯壁厚減薄。

　　2號彎管位于給水系統(tǒng)的低壓加熱器和高壓加熱器之間，除氧器之后，屬于給水泵出口逆止閥的旁路管道，彎管下游為一個旁路閥。一般情況下，旁路閥是閉合的，當(dāng)給水泵單向閥出現(xiàn)故障或進(jìn)行檢修時才打開旁路閥，給水通過旁路閥進(jìn)入高壓加熱器。特殊情況下，流體可以經(jīng)該旁路進(jìn)入除氧器，對除氧器進(jìn)行清洗。由上述分析可知：2號彎管內(nèi)為經(jīng)過除氧的給水，水質(zhì)較好，且水溫較高；彎管內(nèi)長期有給水存在，可以傳質(zhì)，但是由于旁路閥不常打開，故傳質(zhì)速度較慢。

　　3號節(jié)流孔板位于I號機(jī)組的高壓管線疏水線上，控制閥后，疏水器前，與1號彎管位置類似。孔板前后焊縫間長度為75mm,孔徑為10mm,孔長22mm,兩側(cè)為120度梯形過渡，核電站二回路蒸汽管道中的凝結(jié)水經(jīng)疏水管線匯入高壓疏水器內(nèi)，由于主蒸汽系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)高于疏水系統(tǒng)的壓力，故管中流速較高。

　　將上述管道樣品沿軸向和周向鋸開并實(shí)測發(fā)現(xiàn)：1號彎管嚴(yán)重減薄（約1.5mm），內(nèi)壁黑色發(fā)亮，有尖銳的沖刷痕跡；2號彎管壁厚輕微減薄（約0.3mm），內(nèi)壁呈暗紅色；3號節(jié)流孔板在距離焊縫10mm處出現(xiàn)腐蝕穿孔，穿孔附近壁厚減薄明顯且表面粗糙，呈漩渦狀沖刷痕跡。三個樣品的局部形貌如圖1所示。

　　為了研究上述管道壁厚減薄的原因，進(jìn)行了相關(guān)分析工作。

試驗(yàn)結(jié)果

　　化學(xué)成分分析

　　采用電感耦合等離子體一原子發(fā)射光譜（ICP一AES）儀和碳、硫?qū)Ｓ梅治鰞x對上述管道樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，并與GB5310一2008（高壓鍋爐用無縫鋼管）進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。可以看出：管道中的Mn、Si、P等元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但1號彎管中C元素含量偏低，s元素含量是國標(biāo)中限值的兩倍多。2號彎管中s元素含量也是國標(biāo)中限值的兩倍多。

　　金相分析

　　取上述管道樣品進(jìn)行鑲樣、研磨、拋光，用2%硝酸-酒精刻蝕，置于金相顯微鏡下觀察其金相組織，結(jié)果如圖2所示：樣品的金相組織正常，由鐵素體晶粒和呈網(wǎng)狀分布的珠光體構(gòu)成，夾雜物較少，表層無脫碳現(xiàn)象。

　　微觀形貌分析

　　利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)生壁厚減薄部位基體的形貌特征。管道表面附著一層黑色或暗紅色的氧化膜，采用克拉克溶液100g濃HCL+2gSb203+5gSnCL）進(jìn)行了管道樣品的脫氧化膜處理，以便觀察基體。SEM下基體的微觀形貌如圖3所示。

　　1號彎管肘部內(nèi)壁在低倍下可見波紋狀形貌，高倍下可見表面較明顯的韌窩，局部有材料損失，說明管道內(nèi)壁在外力作用下發(fā)生塑性形變，并且有材料剝落現(xiàn)象。2號彎管在低倍下觀察到表面呈魚鱗狀分布的凹坑，尺寸約為200~300μm.高倍放大情況下，可見鐵素體晶粒及晶粒中不同取向的晶面，無明顯的機(jī)械形變特征。3號節(jié)流孔板表面可見大量細(xì)微的韌窩，尺寸為幾微米到十幾微米不等，明顯小于碳鋼晶粒，說明材料表面的各細(xì)微局部均分別受到了外力作用。

　　表面膜分析

　　對管道樣品原始內(nèi)壁的氧化膜進(jìn)行了Ⅹ射線衍射分析，結(jié)果如圖4所示。1號彎管內(nèi)壁盡管呈黑色，但是氧化膜衍射峰中Fe304特征峰很低，說明表面氧化膜非常薄，證明其生成時間很短。2號彎管內(nèi)壁檢測到了中等強(qiáng)度的Fe304特征峰，說明該彎管表面氧化膜相對較厚，存在時間較長。3號節(jié)流孔板內(nèi)壁檢測出了較弱的Fe304特征峰，說明表面有氧化膜，但較薄。

分析討論

　　1號彎管

　　C元素作為一種強(qiáng)化元素，可以提高碳鋼的強(qiáng)度和硬度，從而提高耐磨損、耐沖刷腐蝕的能力。1號彎管中C元素含量偏低，使得其硬度降低，耐磨性下降，耐沖刷腐蝕的能力下降。1號彎管處于高壓疏水管線，內(nèi)部流速較高，與流體接觸的表面在高速流體的作用下，表面材料不斷被沖蝕掉，導(dǎo)致管道減薄。由于表面材料不斷損失，故氧化膜不易留存，因而也起不到保護(hù)基體的作用。

　　另外，鋼中的S是有害元素，會與Mn元素形成MnS塑性非金屬夾雜物，影響鋼的抗氫致裂紋（HIC）和抗硫致應(yīng)力開裂（SSC）性能。但無論是金相分析還是微觀形貌分析，都未觀察到其對壁厚減薄的直接影響。

　　通過上述分析認(rèn)為，1號彎管內(nèi)的高速流體導(dǎo)致管道受到?jīng)_刷作用，發(fā)生壁厚減薄，屬于沖刷腐蝕。若在其上游設(shè)置節(jié)流孔板，將增加管道中的流動阻力，降低流體的壓力，起到保護(hù)管道的作用，避免管道發(fā)生因沖刷腐蝕導(dǎo)致的減薄。

　　2號彎管

　　2號彎管表面氧化膜是三類樣品中最厚的，且基體無可見的形變特征和機(jī)械作用導(dǎo)致的材料損失，說明氧化膜隔離了流體對基體的直接作用。從工況條件分析，2號彎管位于給水系統(tǒng)的旁路，內(nèi)部流速緩慢，不足以對管道材料產(chǎn)生沖刷作用。但流動的介質(zhì)加速了氧化膜的溶解和氧通過氧化膜向基體的擴(kuò)散，導(dǎo)致氧化膜在溶解的同時也不斷生長，最終使管壁減薄，符合流動加速腐蝕的過程。另外，2號彎管微觀形貌呈魚鱗狀，也屬于典型的流動加速腐蝕形貌。

　　盡管2號彎管中的S元素含量也偏高，但分析中同樣未觀察到其對壁厚減薄的直接影響。

　　通過上述分析認(rèn)為，2號彎管發(fā)生壁厚減薄的特征表現(xiàn)為氧化膜的加速溶解和生長，屬于流動加速腐蝕。根據(jù)目前對流動加速腐蝕的認(rèn)識，更換碳鋼材料，使用Cr含量高于1%的低合金鋼是較有效的途徑。對于正在使用的碳鋼管道，應(yīng)加強(qiáng)管道壁厚的監(jiān)測。

　　1、2號彎管雖然同屬于彎管，但內(nèi)部流速差異很大，因此發(fā)生壁厚減薄的機(jī)理完全不同，處理方式也截然不同，在工程實(shí)際中應(yīng)注意區(qū)別。

　　3號孔板

　　與1號彎管相比，3號節(jié)流孔板下游的彎管并未發(fā)生明顯的壁厚減薄現(xiàn)象，說明節(jié)流孔板的存在確實(shí)可以降低流速、降低流體壓力，從而避免管道發(fā)生因高速流體導(dǎo)致的沖蝕減薄。但是3號孔板自身出現(xiàn)了減薄穿孔，在損傷表面觀察到的大量細(xì)微韌窩，說明材料表面的各細(xì)微局部均分別受到了外力的作用。

　　分析其工況認(rèn)為，外力的來源與流體經(jīng)過孔板時產(chǎn)生的氣泡有關(guān)：流體經(jīng)過孔板時壓力下降，低于流體的飽和蒸汽壓力，于是產(chǎn)生氣泡，即閃蒸；當(dāng)下游流體的壓力回升，氣泡發(fā)生潰滅，對材料局部造成巨大沖擊，即汽蝕。從材料已發(fā)生的微區(qū)塑性變形來看，其原因主要為汽蝕。

　　綜上，盡管3號孔板有效抑制了下游彎管的沖刷腐蝕，但該節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致流體通過時對孔板材料產(chǎn)生了汽蝕作用，導(dǎo)致孔板壁厚減薄并穿孔。因此應(yīng)優(yōu)化節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)或者使用多級節(jié)流孔板。

　　結(jié)束語

　　經(jīng)過上述分析，得出以下結(jié)論。

　　（1）1號彎管內(nèi)的高速流體導(dǎo)致了沖刷腐蝕，造成管壁減薄。解決措施為：①在管道適當(dāng)位置安裝一定的分流系統(tǒng)來分擔(dān)流量，或增大管徑，降低管道中的流速。②提高管道中Cr元素含量，使用更加耐沖刷腐蝕的低合金鋼或不銹鋼。③減少彎管的使用或增大彎管的曲率半徑，緩解由于流體方向改變而造成的擾流程度。

　　（2）2號彎管內(nèi)發(fā)生的是以氧化膜加速溶解和生長為特征的流動加速腐蝕。解決措施為：①提高鋼管中的Cr元素含量或更換耐流動加速腐蝕的材料（如不銹鋼）。②控制氧濃度在合理的范圍內(nèi)（主要通過控制加入聯(lián)氨的量），控制腐蝕發(fā)生的環(huán)境。③加強(qiáng)對流動加速腐蝕敏感區(qū)域的壁厚測量力度。

　　（3）流體經(jīng)過節(jié)流孔板時產(chǎn)生氣泡潰滅導(dǎo)致對材料的汽蝕是3號孔板壁厚減薄、穿孔的原因。解決措施為：①根據(jù)具體的使用工況（如系統(tǒng)的流量、流速等）重新設(shè)計(jì)孔板，如孔徑、孔板厚度等。②設(shè)計(jì)多級孔板，通過多次降壓，避免汽蝕的發(fā)生。