某核电厂制氢系统不锈钢弯头失效原因分析及应对措施

马大海 施建辉 董洪全 吴文华

（阳江核电有限公司 广东 阳江 529500）

制氢系统为核电厂提供生产所需的全部氢气，包括为抑制辐照导致的水分解而向核岛反应堆冷却剂系统加入的氢，以及为常规岛汽轮发电机组提供冷却所用的氢。某核电厂发现制氢站某阀门下游弯头处存在氢气外泄现象，进一步检查发现该弯头存在点状缺陷，且其附近有褐色锈迹。为确定管道泄漏的原因，本文从宏观形貌、化学成分、力学性能及显微组织等方面进行分析，以查明该核电厂制氢系统不锈钢管失效原因并制定针对性的预防改进措施，提高设备的可靠性，消除潜在安全隐患。

1 失效分析

为确定该核电厂制氢系统不锈钢弯头失效原因，对失效弯头进行了取样测试分析，具体情况如下。

1.1 宏观形貌

制氢系统不锈钢失效弯头宏观形貌如图1 所示。弯头尺寸为外径40mm、壁厚3mm。观察弯头外表面，失效点位于弯头内弧一侧靠近中线的位置，详见图1（a），在失效点附近可见2处较小的点蚀坑。在弯头外侧打磨区，明显可见部分深褐色锈迹，该处锈迹应为失效处腐蚀产物痕迹，详见图1（b）。在弯头的中部未打磨区同样可见部分锈迹，但颜色较浅，为典型的不锈钢在大气环境下的表面浮锈。观察弯头内表面，失效部位有点状小孔，失效点直径与外壁侧相比较小，其上有堆积点状腐蚀产物，详见图1（c）。

从图1 可看出，失效处首先在管道外表面发生点状腐蚀，随着服役时间的延长，点状缺陷持续向深度发展，从而形成贯穿性腐蚀孔。该腐蚀发展路径与弯头内外表面所处腐蚀环境有直接关联。弯头临近海边，弯头外表面长期暴露在海洋大气环境中，在Cl 元素、水分和充足氧气环境的作用下，不锈钢表面易发生点状腐蚀，随着点状腐蚀的深度增加，将形成“氧浓差电池”，进而加速点状腐蚀向深度发展［1］，而弯头内表面介质为干燥氢气，不利于腐蚀的发生，因此最终形成从外向内的腐蚀形貌。

图1 泄漏弯头宏观形貌

1.2 化学成分分析

对送检弯头进行打磨和清洗处理后，采用火花直读光谱仪对弯头进行化学成分分析，测试结果见表1。

由表1 可知，送检弯头化学元素中Ni 元素含量仅为8.14%，远低于316L 标准值（12%～15%）的要求，且送检弯头成分中不含Mo 元素，而C 元素含量高达0.063%，是316L 标准值上限的2 倍多。对照测试各元素含量，送检弯头更符合304材料的化学成分要求，由此可认为，送检弯头材料并非设计文件要求的316L不锈钢，而是错用为304 不锈钢，且Cr 含量还未达到304不锈钢的要求。

表1 弯头化学成分分析结果（质量分数）（单位：%）

不同的不锈钢耐蚀性存在一定差异，化学成分对不锈钢的耐蚀性有直接影响，其中，Mo 元素的最主要作用是增加不锈钢的耐点蚀性能［2］。通常，行业内采用耐点蚀当量（PRE）量化表征不锈钢耐点蚀能力［3］。PRE=Cr+3.3Mo+16N 是奥氏体不锈钢PRE 最广泛采用的公式，式中，化学元素Cr、Mo、N 表示其百分含量，PRE值越大，表示耐点蚀性能越好。由上式计算可知，304 不锈钢的PRE 值仅为18.316L，不锈钢中由于含有Mo 元素，PRE 值可达25.25L，耐点蚀性能显著提升。由此可见，弯头设计材质316L 降级为304 是本次失效案例的重要原因之一。

此外，还需关注304 不锈钢和316L 不锈钢在C 元素含量上的差异。C含量对不锈钢晶间腐蚀倾向有决定性影响，而避免晶间腐蚀的主要方法之一即为降低材质中的C含量［4］。而送检弯头的含碳量是316L不锈钢含碳量上限的2 倍多，因此表明该弯头具有较高的晶间腐蚀倾向。

奥氏体不锈钢一般Cr含量要求18%以上，以保证其高抗晶间腐蚀能力。本弯头材料Cr 含量也未满足304不锈钢的Cr含量要求。

1.3 显微组织分析

对泄漏弯头进行金相检验，经磨光、抛光和2%硝酸酒精溶液侵蚀后，用显微镜观察其组织，结果如图2、图3所示。

图2 试件横截面显微组织

从图2 可看出，弯头内部组织为等轴的形变奥氏体+少量δ铁素体，可见热加工变形过程中留下了大量的形变孪晶。从图3 可看出，失效点是从外壁点蚀坑处开始扩展，点蚀坑向弯头内部扩展过程中发展为沿晶应力腐蚀裂纹，其间伴有局部点蚀，最终裂纹发展为贯穿缺陷。此外，除了点蚀和应力腐蚀裂纹外，还可见局部浅表层的晶间腐蚀现象。

图3 泄漏处纵截面显微组织

由显微组织可知，弯头内部存在大量的形变孪晶，虽可提高管道的力学性能，但也增加了材料的内应力［5］。微观结构也验证了导致失效的裂纹是从外向内扩展。此外，还发现裂纹存在沿晶应力腐蚀和晶间腐蚀特征，而304不锈钢中较高的C元素含量、Cr含量低于18%、材料内部存在的内应力，以及海洋大气环境都是沿晶应力腐蚀和晶间腐蚀的发生促进因素［6］。

1.4 力学性能测试

对失效弯头试样进行维氏硬度测试，试验力取10kgf，保持时间为10s，测试结果如表2所示。

表2 维氏硬度测试结果

通常，304 不锈钢标准硬度值不超过220HV［7］，但泄漏弯头检测显示硬度值的平均值为282HV，明显高于限值。结合在金相检验中发现大量的加工变形孪晶，弯头硬度值较高的可能原因是加工过程中产生加工硬化［8］，而加工硬化产生的残余应力与含Cl元素的海洋大气环境将进一步加速304不锈钢管道的腐蚀［9］。

2 结论及建议

核电厂制氢系统不锈钢管失效原为制造材质由设计选材的00Cr17Ni14Mo2（316L）错用为0Cr18Ni9（304）不锈钢，而304不锈钢弯材料在含Cl元素的海洋大气环境下耐蚀性能较差，从而在管道外壁发生点蚀，并逐渐发展为贯穿性的沿晶应力腐蚀开裂，此外，失效处也存在晶间腐蚀。

结合以上弯头失效原因，提出的针对性解决方案如下。

（1）将错用的304 不锈钢管头恢复为耐点蚀和沿晶腐蚀能力更优异的316L不锈钢。

（2）对机械加工后的弯头进行固溶处理，以降低管道内部残余应力，从而降低管道应力腐蚀风险。

（3）由于相关316L不锈钢在海洋大气环境下亦有发生腐蚀的案例，即使将304 不锈钢更换为316L 不锈钢，也不能完全消除该处弯头在海洋大气环境下腐蚀的风险。考虑到管道腐蚀是由外而内发生的，管道内表面腐蚀风险较小，因此，建议采用涂料涂装的方式在管道表面增加防护层，将管道基材与腐蚀环境隔离，从而避免管道腐蚀。