某核电厂核级设备法兰泄漏监测管开裂原因

2023-01-10杨兴旺马若群许新竹

腐蚀与防护 2022年6期

杨兴旺 ,马若群 ,许新竹

(1.江苏核电有限公司,连云港 222042;2.生态环境部核与辐射安全中心,北京 100082)

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和力学性能,被广泛用于核电设备中。然而,奥氏体不锈钢设备在含氯介质中常发生应力腐蚀开裂,当裂纹扩展直至贯穿设备壁厚时,将影响机组的安全稳定运行,并造成巨大的经济损失。目前,国内外关于奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的报道较多[1-2]。

国内某机组核级设备法兰设置了泄漏监测管,用于监测设备法兰两道密封圈之间的压力,泄漏监测管的一端连接核级设备,另一端连接压力表,当法兰发生泄漏时,设备中的介质会流入泄漏监测管,压力表可监测其压力变化。泄漏监测管采用的是俄罗斯标准GOST 5632-1972《高合金钢和耐蚀耐高温合金等级》中的08X18H10T 不锈钢,规格为φ14 mm×2 mm,类似于GB 13296-2013《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》中的06Cr18Ni11Ti钢。在该机组运行1 a后的大修期间,某核级设备法兰多根泄漏监测管发生开裂。

本工作通过一系列的检验,对泄漏监测管开裂的原因进行分析,并提出相应的改进建议,以期避免该类问题的再次发生。

1 理化检验与结果

1.1 宏观观察

对该核级设备法兰泄漏监测管上的裂纹进行观察。由图1可见,裂纹主要分布在弯头或两个弯头之间的直管段,区域Ⅰ处的裂纹与环向夹角约呈10°～45°,弯管段(区域Ⅱ)上的裂纹位置在泄漏监测管内弧侧。

图1 开裂泄漏监测管的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of cracked leak monitoring tube: (a)overall morphology;(b) enlarged morphology of area Ⅰ

将泄漏监测管弯管段沿纵向剖开,观察开裂位置内、外表面的宏观形貌。由图2可见,泄漏监测管内表面开裂位置附近有大量黄褐色腐蚀产物。

图2 泄漏监测管弯管段开裂位置的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of cracked position of leak monitoring tube bend section

1.2 几何尺寸测量

1.3 化学成分分析

对开裂的泄漏监测管进行化学成分分析,结果见表1,其化学成分符合ТУ 14-3P-197-2001标准中对08X18H10T 不锈钢的技术要求。

表1 开裂泄漏监测管的化学成分Tab.1 Chemical composition of cracked leak monitoring tube %

1.4 拉伸试验

对开裂的泄漏监测管进行室温拉伸性能测试,结果见表2,其室温拉伸性能符合ту 14-3P-197标准中对08X18H10T 不锈钢的技术要求。

表2 开裂泄漏监测管的室温拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of cracked leak monitoring tube

1.5 金相检验

1.5.1 裂纹检验

在泄漏监测管弯管段开裂位置截取金相环试样,对其进行显微组织观察。由图3可见:泄漏监测管弯管段开裂位置存在多条裂纹,裂纹起源于监测管内表面的腐蚀坑,裂纹尖端呈树枝状;裂纹贯穿整个管壁,呈典型的沿晶开裂形貌;泄漏监测管内表面存在腐蚀坑,外表面未见异常现象。

图3 泄漏监测管弯管段开裂位置的微观形貌Fig.3 Micro morphology of cracked position of leak monitoring tube bend section: (a) low magnification;(b) high magnification

在泄漏监测管直管段(区域1)开裂位置截取试样,采用光学显微镜观察其表面裂纹的微观形貌。如图4所示,泄漏监测管直管段内表面有腐蚀坑,裂纹尖端呈树枝状,其他区域未见明显异常现象。

图4 泄漏监测管直管段开裂位置的微观形貌Fig.4 Micro morphology of cracked position of leak monitoring tube straight section

1.5.2 显微组织观察及非金属夹杂物检验

在泄漏监测管直管段与弯管段的未开裂位置截取试样,对其进行显微组织观察和非金属夹杂物检验。由图5可见,泄漏监测管直管段与弯管段的组织均为奥氏体,其晶粒度均为8～10级,非金属夹杂物等级和晶粒度均符合ТУ 14-3P-197-2001标准中对08X18H10T 不锈钢的技术要求。

图5 泄漏监测管未开裂位置的非金属夹杂物和显微组织的微观形貌Fig.5 Micro morphology of non-metallic inclusions (a)and microstructure (b) of leak monitoring tube uncracked position

1.6 硬度测试

在开裂的泄漏监测管直管段和弯管段的不同位置截取试样,对其进行硬度测试。由表3可见,弯管段的硬度高于直管段的,俄罗斯标准中未对其硬度进行规定,弯管段的硬度超出GB 13296-2013标准要求,直管段的硬度符合GB 13296-2013标准要求。

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表3 开裂泄漏监测管直管段和弯管段不同位置的硬度Tab.3 Hardness of different positions of straight tube section and bend tube section of cracked leak monitoring tube

1.7 扫描电镜及能谱分析

采用扫描电镜(SEM),观察泄漏监测管弯管段开裂位置靠近内表面的形貌。由图6可见,泄漏监测管内表面存在大量的腐蚀产物、裂纹和腐蚀坑。采用能谱仪(EDS),对泄漏监测管弯管段开裂位置内、外表面的腐蚀产物进行EDS 分析。由表4 可见,其内、外表面均存在腐蚀性元素硫和氯。

表4 泄漏监测管弯管段开裂位置内、外表面不同位置的EDS检测结果Tab.4 EDS test results of inner and outer surfaces of cracked position of leak monitoring tube bend section %

图6 泄漏监测管弯管段开裂位置靠近内表面的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of inner surface near cracked position of leak monitoring tube bend section

1.8 断口分析

将泄漏监测管直管段沿裂纹断开后,观察其断口的宏观形貌。如图7所示,断口未发生宏观塑性变形,呈脆性断裂的形貌特征,泄漏监测管内表面的腐蚀产物明显多于其外表面的。进一步观察放大后断口内表面,如图8(a)所示,断口呈脆性穿晶开裂的形貌特征,无明显疲劳断裂特征,靠近监测管内表面有一层腐蚀产物,其外表面几乎无腐蚀产物。

图7 泄漏监测管直管段沿裂纹断开后的断口宏观形貌Fig.7 Fracture macro morphology after leak monitoring tube straight section breaked along the crack

对断口靠近内表面的腐蚀坑进行EDS分析,结果见图8(b),该处存在少量的氯元素。

图8 泄漏监测管直管段断口内表面腐蚀产物的EDS检测位置和检测结果Fig.8 EDS test position (a) and test results (b) of inner surface of straight section fracture of leak monitoring tube

2 分析与讨论

泄漏监测管直管段的几何尺寸、化学成分、拉伸性能、硬度及显微组织均符合标准要求,其弯管段的硬度明显高于直管段的,该泄漏监测管的加工方式为现场冷弯成形,由此可判断其弯管段的硬度偏高是由冷弯形变硬化引起的。

通过金相检验结果可知,泄漏监测管弯管段一侧起弧处有多条裂纹,裂纹主要分布在弯管段内弧侧。通过扫描电镜及能谱分析结果可知:泄漏监测管弯管段开裂位置内表面有大量黄褐色腐蚀产物和少量腐蚀坑,靠近外表面几乎无腐蚀产物,该处内、外表面和沿裂纹断开后的断口处除了有氧元素和基体元素(铁、铬和镍)外,还有少量氯元素;弯管段开裂位置有多条裂纹,裂纹均起源于内表面的腐蚀坑,且裂纹贯穿整个泄漏监测管壁,呈典型的穿晶开裂形貌特征,裂纹尖端呈树枝状。

根据电厂水化学大纲,机组在正常运行工况下,一回路氯离子含量限值为100 μg/L,二回路氯离子含量限值为50 μg/L,氯离子含量低于该限值时,泄漏监测管不会发生腐蚀,因此判断该泄漏监测管内表面氯离子含量存在异常。

调取该开裂泄漏监测管在运行期间的压力曲线,如图9所示,可见压力曲线波动明显,这说明法兰密封面发生泄漏,使得腐蚀性元素进入泄漏监测管内。

图9 运行期间泄漏监测管的压力曲线Fig.9 Pressure curve of leak monitoring tube during operaton

调停期间,对泄漏监测管内的溶液进行成分分析,溶液样品为黑色,说明泄漏监测管内存在杂质。由表5可见,溶液样品中的Cl-含量均高于其在一回路和二回路中的限值。在机组运行1 a后的首次大修期间,发现泄漏监测管开裂,由于运行时间较短,该泄漏监测管下游的阀门处于关闭状态,由此可判断,在运行前的安装阶段,泄漏监测管可能存在冲洗不彻底的问题,导致管内残留了粉尘杂质。

表5 调停期间泄漏监测管内溶液的Cl-和SO42-含量Tab.5 Cl- and SO42- content of solution in leak monitoring tube during mediation

在现场安装过程中,未对冷弯成形后的泄漏监测管弯管段进行去应力处理。冷弯成形后材料的变形抗力较高,材料内部的残余应力和应变会随冷加工变形程度的增加而升高[3],其塑性会随冷加工变形程度的增加而逐渐下降,材料表现出明显的硬化现象[4]。冷加工变形会诱发组织相变,这会使材料的应力腐蚀敏感性提高[5-6],其应力腐蚀开裂速率会随冷加工变形程度的增加而增大。

综上分析可知,该泄漏监测管在安装阶段冲洗不彻底,导致氯离子残留在管内,在氯离子聚集处首先形成腐蚀坑,溶液在腐蚀坑处聚集、浓缩,使腐蚀坑深度不断增大[7],在应力及腐蚀性介质的共同作用下,该处首先形成裂纹,裂纹不断扩展,最终导致泄漏监测管发生开裂。

受现场辐射环境和结构空间的限制,核电机组运行后,很难采取有效措施对泄漏监测管进行去应力处理。在大修期间,可以采用去离子水对泄漏监测管进行冲洗,以降低其内部的氯离子含量。经两次冲洗后,各部位的氯离子含量均低于正常运行时二回路的氯离子含量限值,结果见表6。另外,法兰密封面泄漏使腐蚀性介质进入泄漏监测管内,这加速了管段的腐蚀,通过提高法兰的密封性,也可避免泄漏监测管发生开裂。