郭 凱, 李心剛, 孔晨光, 張志明

(大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司, 深圳 518000)

不銹鋼材料的堿致應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱“堿脆”或“堿裂”，許多文獻(xiàn)已對其展開了報道[1-8]，但多數(shù)研究集中在高溫條件下，而中低溫條件下不銹鋼堿脆的相關(guān)研究較少。不銹鋼堿脆失效的案例也多發(fā)生在高溫環(huán)境中[9-10]，在中低溫時發(fā)生的失效案例較為少見。國內(nèi)某核電站制氫機(jī)儲罐材料為316L奧氏體不銹鋼，罐內(nèi)介質(zhì)為KOH溶液，工作壓力為700 kPa～800 kPa。該儲罐在服役8 a后，其下封頭發(fā)生開裂。筆者對儲罐進(jìn)行了理化檢驗及不同區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)分析，研究了該儲罐開裂的原因并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察和滲透檢測

泄漏儲罐由筒體和橢圓封頭焊接而成，封頭可分為直邊段與彎曲段，如圖1a)所示。外壁貫穿裂紋位于封頭直邊段，裂紋上尖端距熔合線約8 mm，下尖端距熔合線約13 mm，裂紋總長度約為5 mm。

圖1 滲透檢測前后儲罐泄漏區(qū)域宏觀形貌

對儲罐進(jìn)行液體滲透檢測，結(jié)果表明：除貫穿裂紋外，儲罐外壁未發(fā)現(xiàn)其他裂紋；內(nèi)壁靠近焊縫兩側(cè)發(fā)現(xiàn)較多裂紋，既有垂直于焊縫的軸向裂紋，也有平行于焊縫的環(huán)向裂紋，如圖1b)所示。軸向裂紋僅位于距焊縫熔合線約13 mm以內(nèi)的封頭直邊段區(qū)域，周向均勻分布，長短不一。較長裂紋上尖端距熔合線1～2 mm，下尖端距熔合線約13 mm；較短裂紋上尖端距熔合線約4 mm，下尖端距熔合線約10 mm，將此裂紋記為A類裂紋，貫穿裂紋即為A類裂紋。環(huán)向裂紋位于焊縫兩側(cè)距熔合線1～3 mm，筒體側(cè)裂紋記為B1類裂紋，封頭側(cè)裂紋記為B2類裂紋。泄漏儲罐裂紋分布宏觀示意如圖2所示。

圖2 泄漏儲罐裂紋分布示意

1.2 化學(xué)成分分析

采用PMI MASTER Smart型電火花直讀光譜儀對筒體、封頭母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，兩者化學(xué)成分均滿足ASTM A473-2017StandardSpecificationforStainlessSteelForgings標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 筒體和封頭母材的化學(xué)成分 %

1.3 金相檢驗

在筒體和封頭母材處取樣，利用Axio Observer A3型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗。儲罐母材的顯微組織形貌如圖3所示。筒體母材顯微組織為奧氏體+少量退火孿晶，晶粒度為6級；封頭母材顯微組織為奧氏體+大量形變孿晶和滑移帶，晶粒度為3.5級。

圖3 儲罐母材顯微組織形貌

1.4 硬度測試

利用MHV-50Z/V3.0型數(shù)顯維氏硬度計對儲罐各部位進(jìn)行硬度測試。筒體及封頭母材硬度分別為165 HV,248 HV。焊縫、筒體側(cè)熱影響區(qū)、封頭側(cè)熱影響區(qū)硬度分別為171 HV,188 HV,165 HV,筒體側(cè)、封頭側(cè)平均厚度分別為3.71,4.24 mm。筒體為正常固溶退火態(tài)316L鋼。ASTM A473—2017標(biāo)準(zhǔn)中對316L鋼的硬度未作明確要求，但參考GB/T 3280—2015 《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)可知，316L鋼硬度要求不大于220 HV，可見封頭硬度較高，這與其組織中含有大量形變孿晶和滑移帶有關(guān)，為冷作硬化態(tài)316L鋼。

1.5 裂紋形貌分析

1.5.1 裂紋表面分析

在儲罐內(nèi)壁，對A類和B類裂紋表面進(jìn)行取樣分析，取樣位置如圖4所示。試樣經(jīng)弧面削平、拋光及侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖5所示，可見兩類裂紋在表面均沿晶擴(kuò)展。A類裂紋中心位置較寬，兩端較細(xì)，封頭側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，總長約為4 mm；筒體側(cè)熱影響區(qū)只出現(xiàn)粗晶區(qū)，長約0.8 mm，未發(fā)現(xiàn)細(xì)晶區(qū)。封頭側(cè)母材含有大量形變孿晶和滑移帶，形變、畸變程度高，焊接受熱時發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶?？拷缚p部位由于溫度較高，再結(jié)晶后發(fā)生晶粒長大，形成粗晶區(qū)，離焊縫稍遠(yuǎn)的區(qū)域只發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒未長大形成細(xì)晶區(qū)。筒體側(cè)母材為固溶退火態(tài)，其形變、畸變程度差，再結(jié)晶驅(qū)動力不夠，由于靠近焊縫部位溫度較高，故直接發(fā)生晶粒長大，形成粗晶區(qū)；由于距離焊縫稍遠(yuǎn)的區(qū)域溫度低于晶粒長大溫度，故只發(fā)生了回復(fù)而未發(fā)生結(jié)晶，未出現(xiàn)類似封頭側(cè)的細(xì)晶區(qū)，無法直接判斷熱影響區(qū)范圍。筒體與封頭母體材料均為316L不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)一致，焊縫兩邊熱影響區(qū)范圍基本相同，由封頭側(cè)熱影響區(qū)范圍推斷，筒體熱影響區(qū)寬度約為4 mm。由此可知，一部分A類裂紋的一側(cè)尖端位于熱影響區(qū)，另一側(cè)尖端位于封頭直邊段，中心位置位于封頭直邊段；另一部分A類裂紋均位于封頭直邊段；所有B類裂紋均位于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)內(nèi)。

圖4 儲罐內(nèi)壁裂紋表面取樣位置

1.5.2 裂紋截面分析

圖6，7分別為兩類裂紋壁厚方向的顯微組織形貌。A類裂紋由儲罐內(nèi)壁沿晶向外壁擴(kuò)展，擴(kuò)展深度不一，嚴(yán)重處幾乎已貫穿儲罐全壁厚，裂紋尖端分叉，晶界未敏化，具有典型沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋特征。B1和B2類裂紋主要位于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，裂紋沿晶擴(kuò)展，尖端分叉，晶界未敏化，具有典型沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋特征。A，B1，B2類裂紋處的顯微硬

圖6 A類裂紋壁厚方向的顯微組織形貌

圖7 B類裂紋壁厚方向的顯微組織形貌

度分別為242 HV，171 HV，157 HV。B2類裂紋區(qū)硬度大幅下降的原因是原始形變的奧氏體晶粒焊接后發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶。

為了進(jìn)一步分析A類裂紋在儲罐內(nèi)壁的起源位置，沿同一條裂紋長度方向，在中心位置及兩側(cè)解剖并測其深度，結(jié)果如圖8所示。裂紋中間部位沿壁厚方向擴(kuò)展深度最深，這表明A類裂紋的起源位置為裂紋長度方向的中部，由內(nèi)壁表面向兩側(cè)擴(kuò)展。

圖8 A類裂紋沿同一裂紋長度方向上不同區(qū)域的深度

1.6 殘余應(yīng)力分析

采用殘余應(yīng)力分析儀，以焊縫為分界，分別對筒體、封頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，每個位置均測試0°(平行于焊縫方向)和90°(垂直于焊縫方向)兩個方向，測試結(jié)果如圖9所示。筒體側(cè)0°方向和90°方向殘余拉應(yīng)力區(qū)分別在距焊縫中心線約20，12 mm處；封頭側(cè)0°方向和90°方向的殘余拉應(yīng)力區(qū)分別在距焊縫中心線約17，15 mm處。A類裂紋、B類裂紋均位于殘余拉應(yīng)力區(qū)。

圖9 儲罐內(nèi)壁不同區(qū)域殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2 綜合分析

A類裂紋和B類裂紋均位于儲罐的殘余拉應(yīng)力區(qū)，均沿壁厚方向由內(nèi)壁向外壁沿晶擴(kuò)展。A類裂紋起源于封頭母材區(qū)，在表面垂直于焊縫向兩側(cè)擴(kuò)展；B類裂紋位于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，在表面平行于焊縫擴(kuò)展。封頭的制造工藝為冷沖壓成型，封頭直邊段是由原板料邊緣向內(nèi)“翻邊”而成，會產(chǎn)生較大的塑性變形和殘余拉應(yīng)力[11]。在原始冷加工殘余應(yīng)力，溫度為65～70 ℃，及KOH堿液服役條件的長期作用下，產(chǎn)生了垂直于焊縫的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。由于熱影響區(qū)焊接后奧氏體晶粒的回復(fù)及再結(jié)晶，原始?xì)堄鄳?yīng)力基本消失。由于奧氏體晶粒的冷卻收縮，熱影響區(qū)產(chǎn)生了焊接殘余拉應(yīng)力，該殘余應(yīng)力以垂直于焊縫為主，在溫度為65～70 ℃，KOH堿液服役條件的長期作用下產(chǎn)生了平行于焊縫的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。

該儲罐開裂機(jī)理可用堿致應(yīng)力腐蝕開裂的膜破裂理論[7,12]進(jìn)行解釋。在KOH堿液環(huán)境中，儲罐內(nèi)壁表面形成一層鈍化膜，該鈍化膜在較高殘余拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破裂。鈍化膜破裂后，破裂區(qū)金屬表面未及時形成鈍化膜，裸露金屬與KOH堿液接觸，OH-在表面破裂區(qū)域發(fā)生濃縮，進(jìn)而與裸露金屬發(fā)生反應(yīng),裸露金屬與濃縮堿液反應(yīng)生成金屬氧化膜，此氧化膜在應(yīng)力作用下又發(fā)生破裂，繼而再鈍化-破裂-鈍化-破裂循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展延伸，最終導(dǎo)致儲罐發(fā)生開裂并泄漏。

3 結(jié)論與建議

(1) 儲罐內(nèi)壁的環(huán)向裂紋和軸向裂紋均為堿致應(yīng)力腐蝕開裂，環(huán)向裂紋主要受焊接殘余拉應(yīng)力作用，而軸向裂紋主要受封頭直邊段冷加工殘余拉應(yīng)力作用。

(2) 控制焊接熱輸入，降低焊接殘余應(yīng)力，以避免環(huán)向裂紋；封頭冷成型后增加去應(yīng)力處理工藝，降低冷加工殘余應(yīng)力，以避免軸向裂紋。

(3) 為保障設(shè)備的安全運行，應(yīng)加強(qiáng)運行過程中的滲透檢測等無損檢測措施。