趙 亮，趙 婷，李光福

（1.秦山第三核電廠，海鹽314300；2.中國(guó)科學(xué)院嘉興應(yīng)用化學(xué)工程中心，嘉興314000；3.上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200437）

2009年初，秦山第三核電廠2號(hào)機(jī)組再熱主汽門軸密封蒸汽疏水管線4115-5169在靠近閥體管咀的對(duì)接焊縫上游發(fā)生斷裂泄漏，有蒸汽冒出。該管線功能為再熱主汽門軸封疏水，管線上端與運(yùn)行溫度為240℃的再熱主汽門管咀承插焊接，下端對(duì)空，即管內(nèi)服役環(huán)境為高溫水蒸汽，外部環(huán)境為汽機(jī)大廳的室溫常壓空氣環(huán)境，管外涂覆高溫防腐蝕層，發(fā)生泄漏前已累計(jì)投運(yùn)6a。

失效管段沿豎直方向安裝，現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖1，管線連接示意圖見(jiàn)圖2，其具體連接形式為再熱主汽門管咀-承插角焊縫-Hitachi直管段-對(duì)接焊縫-Bechtel直管段，此處對(duì)接焊縫為Hitachi和Bechtel兩家設(shè)計(jì)單位的分界，Hitachi直管段和Bechtel直管段均為低碳鋼材質(zhì)，Hitachi直管段材料按照J(rèn)IS G 3454（STP410）供貨，Bechtel直管段材料按照ASME A106B供貨，兩種管段的規(guī)格均為NPS1／2，Sch80s（外徑21.3mm，壁厚3.73mm）。

為明確管線失效機(jī)理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截取斷口下面的管段進(jìn)行宏觀檢查、材質(zhì)檢驗(yàn)、內(nèi)表面腐蝕形貌及斷口檢驗(yàn)分析。

1 宏觀檢查

失效管段由Hitachi直管段、對(duì)接焊縫和Bechtel直管段3部分組成，見(jiàn)圖3（a）所示，斷裂部位位于對(duì)接焊縫上游約25mm處，管段一端為上游的泄漏處斷口，一端為下游的機(jī)械切割口。實(shí)測(cè)管外徑為22mm，焊縫寬度大約為10mm。上游管口形貌見(jiàn)圖3（b），管內(nèi)被黑黃色腐蝕產(chǎn)物充滿，腐蝕嚴(yán)重，斷口處有效壁厚減薄到1mm以下，斷口局部存在塑性變形，可以判斷為管段最終斷裂區(qū)。焊縫下游機(jī)械切割管口形貌見(jiàn)圖3（c），內(nèi)壁附著少量黃黑色腐蝕產(chǎn)物，壁厚基本等同于管道名義壁厚，說(shuō)明未發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。從斷口塑性變形區(qū)中心位置處將失效管段沿軸線對(duì)剖，縱剖面研磨拋光并用4%硝酸酒精浸蝕制取金相試樣，得到顯示管段各部分金相和內(nèi)壁腐蝕狀況的宏觀照片（見(jiàn)圖4），依照宏觀形貌將管段內(nèi)表面分為嚴(yán)重腐蝕區(qū)與輕微腐蝕區(qū)。嚴(yán)重腐蝕發(fā)生在上游Hitachi直管段的母材區(qū)，斷口附近壁厚顯著減薄，黑黃色的腐蝕產(chǎn)物幾乎將管段內(nèi)部填滿。而對(duì)接焊縫、上游Hitachi直管段的熱影響區(qū)和下游Bechtel直管段的母材和熱影響區(qū)處存在少量的黃黑色腐蝕產(chǎn)物，僅發(fā)生了輕微腐蝕。嚴(yán)重腐蝕區(qū)與輕微腐蝕區(qū)的分界線在上游Hitachi直管段的母材與熱影響區(qū)交界處。

2 管段成分分析

根據(jù)GB／T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》對(duì)缺陷管段進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)Hitachi直管段和Bechtel直管段的成分差別微小，均為含碳量在0.20%左右的低碳鋼，符合原設(shè)計(jì)要求。腐蝕較輕微的焊縫下游Bechtel直管段的抗腐蝕元素鉻和鎳反而稍低于腐蝕嚴(yán)重的焊縫上游管段，說(shuō)明成分的細(xì)微差別不是腐蝕狀態(tài)存在明顯差異的主要原因。焊縫成分中碳較低、錳較高，與母材相差較大。

表1 管段各部分的化學(xué)成分 %

3 金相與腐蝕產(chǎn)物分析

采用光學(xué)顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜分析儀分別觀測(cè)了Hitachi直管段和Bechtel直管段及對(duì)接焊縫區(qū)的金相特征和腐蝕產(chǎn)物形貌，用能譜分析儀半定量分析了內(nèi)表面各區(qū)腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分，用x-射線衍射法分析了內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)。

3.1 Hitachi直管段母材和熱影響區(qū)的金相與腐蝕產(chǎn)物分析

上游的Hitachi直管段母材區(qū)金相、腐蝕產(chǎn)物微觀形貌和成分見(jiàn)圖5。材料顯微組織由白色鐵素體和黑色珠光體組成，具有帶狀特征，為常見(jiàn)的或說(shuō)正常的顯微組織。該部位腐蝕產(chǎn)物較黑較厚，而且靠近金屬基體的底層較致密，而上面的表面層較疏松。能譜半定量分析表明，腐蝕產(chǎn)物基本由氧和鐵組成，其中鐵含量約34%（原子百分比），接近但略低于Fe3O4的43%和Fe2O3的40%。分別取底層和表面層腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明表面層腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4，底層腐蝕產(chǎn)物也是Fe3O4類型的氧化鐵，其具體檢出物有Fe3O4和（NiFe）3O4，比例不詳。

Hitachi直管段熱影響區(qū)的金相和腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見(jiàn)圖6。材料的顯微組織主要是魏氏體。腐蝕產(chǎn)物比較薄也比較疏松。能譜半定量分析表明，腐蝕產(chǎn)物基本由氧和鐵組成，其中鐵的含量約為33%，接近但略低于Fe3O4的43%和Fe2O3的40%，與母材區(qū)的腐蝕產(chǎn)物相似。

圖5 Hitachi直管母材區(qū)金相、腐蝕產(chǎn)物微觀形貌和成分

3.2 對(duì)接焊逢區(qū)的金相和腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)接焊逢區(qū)的金相和腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見(jiàn)圖7。材料的顯微組織主要是魏氏體。腐蝕產(chǎn)物比較薄也比較疏松。能譜半定量分析表明腐蝕產(chǎn)物基本由氧和鐵組成，其中鐵含量約31%，略低于Fe3O4的43%和Fe2O3的40%。

3.3 Bechtel直管段母材及熱影響區(qū)的金相與腐蝕產(chǎn)物分析

下游的Bechtel直管段母材區(qū)的金相和腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見(jiàn)圖8。母材顯微組織由白色鐵素體和黑色珠光體組成，具有帶狀特征。腐蝕產(chǎn)物薄且疏松，能譜半定量分析表明，腐蝕產(chǎn)物基本由氧和鐵組成，含少量的硅（約0.7%），鐵含量約32%，接近但略低于Fe3O4的43%和Fe2O3的40%。由于腐蝕產(chǎn)物較薄，因此只能從管內(nèi)壁剝離出一份腐蝕產(chǎn)物樣品，對(duì)其進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4類型的氧化鐵，具體檢出物有Fe3O4和（NiFe）3O4，比例不詳。其熱影響區(qū)的顯微組織及腐蝕產(chǎn)物形貌與上游Hitachi管熱影響區(qū)的相似。

圖8 Bechtel直管母材區(qū)的金相和腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

雖然缺陷管段內(nèi)表面不同部位的腐蝕產(chǎn)物顏色有差別，但X射線衍射分析表明都是Fe3O4類型的氧化鐵，這顏色差別可能與其中的某些少量元素的含量有關(guān)。

4 斷口分析

用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行了觀察，絕大部分?jǐn)嗫谔幈诤褚騼?nèi)壁嚴(yán)重腐蝕而減薄到1mm以下，如圖9（a）所示。高倍觀察可見(jiàn)到斷口上存在腐蝕產(chǎn)物，斷口多數(shù)區(qū)域可見(jiàn)輝紋狀微觀形貌，具有疲勞導(dǎo)致斷裂的疲勞輝紋特征，如圖9（b），（c）和（d）所示?？烧J(rèn)為導(dǎo)致管段失效過(guò)程中尤其在在腐蝕減薄后的剩余壁厚部分存在腐蝕疲勞失效。

圖9 失效斷口微觀形貌的掃描電鏡照片

5 失效原因分析

進(jìn)行了廣泛的文獻(xiàn)查閱，未見(jiàn)到相同情況失效的分析報(bào)道。比較相關(guān)的文獻(xiàn)主要是關(guān)于火電廠傳熱管的腐蝕［1-8］，特別是在高溫水蒸汽中氧化腐蝕的研究，溫度顯著高于本案失效情況，但這些在火電上的研究還是有重要的參考價(jià)值。

根據(jù)再熱主汽門軸封蒸汽疏水管線服役條件和失效管段的試驗(yàn)結(jié)果分析，可以認(rèn)為管線失效的首要原因是靠近再熱主汽門引出管咀的管段內(nèi)壁在高溫水蒸汽環(huán)境中的氧化腐蝕，其次是機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中管線振動(dòng)產(chǎn)生的腐蝕疲勞，失效過(guò)程為管段內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕破裂缺陷并向外發(fā)展，最終導(dǎo)致斷裂，失效示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 失效示意圖

5.1 高溫氧化腐蝕

在240℃及以下溫度，干燥空氣環(huán)境中的氧化腐蝕不可能導(dǎo)致如此嚴(yán)重的腐蝕，但該溫度下再熱主汽門打開(kāi)／泄漏時(shí)進(jìn)入管線的水蒸汽對(duì)低碳鋼的氧化腐蝕有顯著的促進(jìn)作用，預(yù)計(jì)主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

常溫下覆蓋在鋼基體上的Fe3O4膜有一定保護(hù)作用；隨著溫度升高，F(xiàn)e3O4膜增厚速度加快，并可剝離，致使其對(duì)于碳鋼基體的保護(hù)作用下降。腐蝕產(chǎn)物Fe3O4膜增厚就對(duì)應(yīng)碳鋼管道金屬基體有效厚度減?。桓g產(chǎn)物的疏松膨脹又會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物阻礙管道的流通性，散熱散濕能力降低，使水蒸汽環(huán)境中氧化腐蝕的局部效應(yīng)增強(qiáng)。因此，管線內(nèi)壁在高溫水蒸汽環(huán)境中發(fā)生了局部嚴(yán)重腐蝕，產(chǎn)生大量的Fe3O4類型的腐蝕產(chǎn)物，有效壁厚顯著減少，服役能力顯著減弱。

5.2 腐蝕疲勞

針對(duì)失效管段斷口發(fā)現(xiàn)的疲勞輝紋特征，在機(jī)組正常運(yùn)行期間現(xiàn)場(chǎng)檢查了包括失效管線在內(nèi)的兩臺(tái)機(jī)組共32根再熱主汽門軸封蒸汽疏水管線，發(fā)現(xiàn)這些管線均存在較大程度的振動(dòng)，缺少足夠的管道支撐。管線運(yùn)行期間的振動(dòng)產(chǎn)生交變應(yīng)力促使低碳鋼內(nèi)表面形成的Fe3O4膜不斷破碎從而降低了對(duì)金屬基體有益的保護(hù)作用，氧化膜破碎后新鮮的金屬表面不斷裸露出來(lái)與水蒸汽和空氣等環(huán)境介質(zhì)接觸，進(jìn)一步發(fā)生氧化腐蝕，隨后氧化膜再次振動(dòng)破碎。如此重復(fù)的腐蝕疲勞機(jī)制加劇了低碳鋼管線內(nèi)壁的氧化腐蝕損傷，使管線局部壁厚嚴(yán)重減薄。此外，腐蝕疲勞也易誘發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展，成為后期管線斷裂的主要原因。

5.3 嚴(yán)重腐蝕區(qū)位置的確定

結(jié)果表明Hitachi直管段和Bechtel直管段成分接近，管線不同部位成分的差別不是決定嚴(yán)重腐蝕區(qū)位置的主要因素，嚴(yán)重腐蝕與輕微腐蝕的分界線在上段的母材與熱影響區(qū)交界處。嚴(yán)重腐蝕區(qū)位于Hitachi直管母材區(qū)，主要是因?yàn)闇囟扰c環(huán)境介質(zhì)、振動(dòng)、材料的顯微組織等因素：

（1）失效部位緊鄰再熱主汽門，由于熱傳導(dǎo)使其溫度較高，約200℃；再熱主汽門中的軸封疏水進(jìn)入該管線后受重力作用向下流動(dòng)，同時(shí)由于壓力下降在失效部位周圍迅速汽化，導(dǎo)致該部位在水蒸汽環(huán)境中發(fā)生快速的氧化腐蝕；此外，氧化膜在管線內(nèi)壁的疏松、膨脹和積累又阻礙了管道的流通性，散熱散濕能力下降，進(jìn)一步促進(jìn)了該部位的氧化腐蝕。

（2）失效部位靠近管線根部，管線振動(dòng)時(shí)該部位承受的交變應(yīng)力幅度大，腐蝕疲勞作用較大，加劇該處的氧化腐蝕，并最終促使剩余壁厚的疲勞斷裂。

（3）熱影響區(qū)的顯微組織為焊接過(guò)程中高溫下以較快速度冷卻形成的魏氏體，帶有較大的固溶體特征，微區(qū)內(nèi)成分差異較??；而母材為鐵素體和珠光體的平衡組織，在相組成上是充分析出的成分差異較顯著的滲碳體和鐵素體兩相，腐蝕傾向性與熱影響區(qū)比應(yīng)該相對(duì)較大，因此焊縫熱影響區(qū)的腐蝕傾向性會(huì)明顯小于母材區(qū)，從而使嚴(yán)重腐蝕區(qū)止于Hitachi直管段的熱影響區(qū)邊界。

6 結(jié)論

（1）失效管段的材質(zhì)、規(guī)格等符合設(shè)計(jì)要求。

（2）管線斷裂泄漏的主要原因：①靠近閥體的管段內(nèi)壁在高溫水蒸汽中的氧化腐蝕導(dǎo)致壁厚顯著減?。虎诠芫€缺乏足夠的支撐，在機(jī)組正常運(yùn)行期間的振動(dòng)加劇了管線的腐蝕疲勞，最終導(dǎo)致管線斷裂。

［1］竇照英.電力工業(yè)的腐蝕與防護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

［2］Pascale Vangeli.Oxidation of S35315in water vapor containing atmospheres under cyclic and isothermal conditions［C］／／Corrosion 2006［s.l.］：［s.n.］，2006：6478.

［3］王志武，鄧芳，王玉山，等.20G鋼高溫高壓水蒸汽氧化行為研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2008，20（3）：170-172.

［4］耿波，劉江南，趙顏芬，等.T91鋼高溫水蒸汽氧化層形成機(jī)理研究［J］.鑄造技術(shù)，2004，25（12）：914-918.

［5］金耀華，王正品，劉江南，等.T91鋼在兩種不同環(huán)境下的高溫氧化層剝落機(jī)理研究［J］.鑄造技術(shù)，2005，26（11）：1039-1041.

［6］王正品，張路，劉江南，等.電站用T22及與T91管高溫蒸汽氧化的失效分析［J］.鑄造技術(shù)，2004，25（7）：523-525.

［7］馮斌，劉鐵祥，張玉福，等.過(guò)熱器和再熱器管內(nèi)壁的高溫水蒸汽腐蝕研究［J］.湖南電力，2006，26（6）：8-11.

［8］齊慧濱，郭英倬，何業(yè)東，等.燃煤火電廠鍋爐四管的高溫腐蝕［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2002，14（2）：113-119.