奥氏体不锈钢蒸发器传热管应力腐蚀

一个奥氏体不锈钢蒸汽发生器传热管应力腐蚀的实例
机械科学研究院张树军李治国焦殿辉
摘要：
本文介绍了一个核电厂奥氏体不锈钢蒸汽发生器传热管应力腐蚀的案例，重点介绍了事件发现的过程、所开展的主要研究和分析工作，并对进一步处理需要考虑的问题进行了初步讨论。

主题词：蒸汽发生器传热管奥氏体不锈钢应力腐蚀
1、问题的提出
1.1背景
某核电厂蒸汽发生器采用卧式蒸汽发生器，传热管用奥氏体不锈钢0Cr18Ni10Ti材料制成，尺寸16×1.5mm。

传热管冷弯成型，冷弯后不进行热处理。

四台蒸汽发生器的传热管分别由两个供应商提供。

这四台蒸汽发生器在制造完工后进行了100％的传热管涡流检查，发现个别传热管（共5根）存在超标缺陷并采取了堵管措施。

1.2事件简述
核电厂进入调试阶段。

冷试后的役前检查时，业主对每台蒸汽发生器传热管选取了约11%的传热管进行涡流检查，四台蒸汽发生器共选取了4884根传热管。

检验承包商在其中104根传热管上发现了127个异常显示信号。

对此，业主在热试后聘请多个检验单位以多种方式对显示信号比较集中的二号蒸汽发生器传热管进行了复验：
第二个检验单位采用涡流检验方法复检，证实2号蒸汽发生器传热管上的显示信号依然存在；
第三个检验单位采用超声方法检查了2号蒸汽发生器部分有异常涡流显示信号的传热管，其检查结果与涡流检查结果基本符合；
第四个检验单位使用铁磁性探头对部分有异常显示的传热管进行了检查，同时使用内窥镜从蒸汽发生器二次侧对传热管表面进行了检查，证实传热管外表面存在铁磁性物质，但这些铁磁性物质对涡流信号的影响不大。

根据以上检验结果，业主在热试后对1号机组的4台蒸汽发生器所有传热管进行了100％涡流检查，结果在2、3、4号蒸汽发生器上发现了比较多的缺陷显示信号，其中穿壁厚度达到65％以上的有350多个，严重的裂纹深度已经达到传热管壁厚的90％以上。

2、原因分析
在实施所有传热管100%涡流检验的同时，业主对已经发现有缺陷显示的传热管进行破坏性检查。

2.1检验与试验
2.1.1检验与试验方案
在综合考虑了各项检验结果和传热管位置因素后，选择切取了2号蒸汽发生器一根有缺陷显示的传热管。

由于管子布置的因素，在切取该传热管管时，又切掉了其周边三根无损检验没有发现异常显示信号的传热管。

切下的传热管段被送到有关研究机构，制成试样进行检验和试验，主要检验试验项目包括：
目视检验（体视显微镜）、金相分析、机械性能检验、晶间腐蚀试验、金属化学成份分析、铁素体含量测定、附着物X射线光谱分析、附着物X射线衍射相结构分析等等。

2.1.2带缺陷信号传热管的检验、试验结果
（1）目视检验（体视显微镜）：
对切取的传热管外表面进行观察，发现管子外表面覆盖有氧化物和附着物；用放大镜和体视显微镜观察有缺陷的部位，发现表面有大量点蚀和溃疡，如图2.1：
图2.1：连在一起的点蚀和溃疡（20倍）
在管段没有缺陷显示信号部位的外表面也发现有较浅的点蚀，如图2.2：
图2.2：没有缺陷信号的区域的点蚀（36倍）
（2）金相研究：
对试样逐层金相分析表明缺陷具有典型的腐蚀裂纹特征，如图2.3、图2.4、图2.5、图2.6。

图2.3：典型裂纹形貌：深度远大于直径的点蚀，金属腐蚀区域裂纹延伸
图2.4：典型裂纹形貌
图2.5：结构蚀刻，典型穿晶扩展
图2.6：结构蚀刻，典型穿晶扩展
（3）机械性能试验：
对传热管试样进行常温拉伸试验、高温拉伸试验、扩口试验和压扁试验，试验结果表明满足订货技术条件的要求。

（4）晶间腐蚀试验：
对传热管试样晶间腐蚀试验未发现腐蚀倾向。

（5）金属化学成份分析：
对传热管试样进行金属化学成份分析，结果表明满足订货技术条件的要求。

（6）铁素体含量测定：
对传热管试样进行铁素体含量测定，表明有缺陷管段和无缺陷管段的铁素体含量都不超过0.01％。

（7）附着物X-射线衍射相结构分析：
对传热管外表面的附着物进行X-射线衍射相结构分析，发现两种腐蚀附着物的主要成分是：Fe3O4+ Fe2O3，Fe2O3，Fe3O4 +FeCl2×4H2O。

（8）附着物X射线光谱分析：
附着物化学成分分析结果表明：附着物明显为低合金的腐蚀产物，并且含有一定的氯，如下表所示：
2.1.3无明显缺陷显示信号传热管的检验试验结果
对于同时切取下来的“完好”传热管，研究机构采用光学金相方法进行了一系列检验试验，为了发现可能的缺陷，对传热管试样进行了逐层打磨，试验结果表明在没有明显缺陷显示信号的传热管管段外表面发现了局部点蚀坑，点蚀深度超过0.11mm，如图2.7所示；在腐蚀区发现深度约0.06mm的裂纹，裂纹具有穿晶性质，如图2.8所示。

图2.7：连成串的点蚀
图2.8：腐刻前、后显现微裂纹
2.1.4 检验试验结论
从检验和试验结果看，被切取的有缺陷传热管段外表面有大量的点蚀和溃疡存在；役前检验所发现的信号显示有明显的裂纹特征，并具有穿晶特性，这些裂纹属于应力腐蚀裂纹（SCC）。

对传热管表面腐蚀沉积物的成分分析表明其中含有较多的氯（达到400ppm），因此，这些裂纹应该是氯致应力腐蚀裂纹。

检验和试验结果还表明，腐蚀缺陷不只是在涡流检验有显示的管段存在，在涡流检验没有显示的“完好”管段表面也存在点蚀、溃疡和裂纹，这表明蒸汽发生器传热管的腐蚀较为普遍。

2.2 可能原因的分析
这些蒸汽发生器从出厂到现场安装调试后的役前检查阶段，时间间隔近两年，包括海运、在海港和现场的储存等过程。

这期间，蒸汽发生器只是在简单的密封包装条件下储存，没有采取专门的保护措施，如充氮保护等等。

同时，制造厂防腐规程要求，为了防止蒸汽发生器二次侧碳钢表面腐蚀，在运输和储存期间对二次侧内表面涂敷M-1涂料（环己胺C6H11-NH2）进行防腐，对传热管没有特殊防腐要求。

M-1本身并不含有氯的成分，但在核电厂现场对蒸汽发生器二次侧残留M-1涂料取样化验后发现，其中的氯离子含量达到了
1640ppm。

潮湿的空气可能是大量氯离子的来源，因为蒸汽发生器二次侧未充氮保护，而二次侧碳钢壳体内表面涂敷的M1涂料可能对氯具有一定的吸附作用，从而在海上运输和滨海储存时导致了大量氯离子聚集。

3、主要工程措施
对于这种情况，主要考虑的解决措施是蒸汽发生器能否在适当堵管后运行，为此主要讨论了蒸汽发生器传热管热工裕量、腐蚀动力学、传热管堵管工艺、不同阶段检验结果比较等问题，目前重点关注的是堵管准则问题。

确定堵管准则时主要需考虑以下问题：
●堵管准则根据美国核管会（NRC）管理导则RG1.121《压水堆蒸汽发生器
堵管准则》的原则计算确定，主要考虑RG1.121中规定的最小壁厚、运
行容限以及每台蒸汽发生器允许泄漏限值所对应的缺陷尺寸等要求。

●RG1.121中规定的两次检查期间的运行容限要求（an operational allowance
for degradation between inspections）是确定堵管准则的关键参数。

由于该
核电厂蒸汽发生器传热管不同阶段涡流检验结果可比性较差，业主应在国
际上类似核电厂运行经验的基础上，开展研究和分析工作，给出蒸汽发生
器传热管缺陷的估计扩展速率，并考虑检验系统误差，得出运行容限值。

●在使用国际经验数据时，应考虑这些数据的代表性。

4、问题讨论
如果蒸汽发生器被允许投入运行，业主应在运行一年后对1号机组四台蒸汽发生器所有传热管进行100％涡流检验，以确认缺陷的变化情况，并根据检查结果确定跟踪检查要求。

业主应注意在电厂运行期间严格控制蒸汽发生器二次侧水质，加强运行水化学监督，加强蒸汽发生器泄漏监测。

反馈一号机组的经验，业主应关注2号机组蒸汽发生器在现场的保养和调试期间的冲洗问题，并在2号机组役前检查时对四台蒸汽发生器的传热管进行100％涡流检验，以确定2号机组蒸汽发生器传热管的状态。