双相不锈钢法兰侧焊缝热影响区裂纹和腐蚀问题分析

郑倩倩

摘要：针对某核电站海水管路系统调试期间出现泄漏的问题，从施工到调试过程，采用了多要素的排除法对腐蚀问题进行了分析。通过对材料材质性能、应力分布、材料所处介质环境等方面进行分析，得出裂纹和腐蚀为应力腐蚀，满足应力腐蚀三要素：①对材料为敏感材质;②系统某些区域采用的材料和结构不同，导致结构应力及载荷应力作用;③在腐蚀介质——海水中运行。从而达到应力腐蚀开裂条件，出现贯穿性裂纹而使介质泄漏。由于结构和所在介质环境固定，可通过更换质量符合标准要求的非敏感双相不锈钢材质的法兰解决该问题，该裂纹和腐蚀问题的分析方法可供同行借鉴。

关键词：不锈钢;结构应力;腐蚀介质;应力腐蚀

中图分类号：TG441.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）11-0079-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.14

0 前言

某核电厂海水厂房4个通道泵出口反法兰侧（锻件法兰，材质S32750）与管道（材质S32750，质保QA2级）的焊缝，质量等级属于俄罗斯标准核Ⅲc级，规格为φ508×5.54 mm对接接头，采用φ1.6 mm、牌号为ER2594不锈钢焊丝，TIG工艺焊接，无损检验合格。承包商在完成泵单体调试（海水注入管道内部）后移交业主，业主调试部门在进行起泵试验时发现4个通道泵出口反法兰侧焊缝边缘母材均有不同程度的开裂问题，随即开启了调试不符合项报告。现场拆除泵与法兰连接短管后，发现法兰侧不但存在母材裂纹而且存在局部点腐蚀及穿孔现象，4个通道4个焊缝的缺陷问题都很严重。文中通过分析接头材质、构件受力[1]、腐蚀介质及温度等情况，采用排除分析方法找出了裂纹产生的原因，可供同行借鉴。

1 产生原因及分析

为了查找缺陷产生原因，从施工到调试过程，对影响因素进行了全面核查，通过排除法查找缺陷产生的根本原因[2]，具体排查情况如下：

（1）人员资格和技能。

经核实，焊工有HAF603焊工资格证书且焊工项目资格符合要求，焊工资格证的有效期为国家核安全局每6个月更新一次，符合HAF603要求。

（2）焊接工艺评定及数据包。

经查阅相关论文资料，线能量[3]等焊接要素对于管道（材质S32750）焊接接头组织和性能存在影响，经核查，该系统的焊接工艺评定合格，符合俄罗斯标准要求;焊接数据包已批准，同时现场管道所在系统使用此工艺共完成115道焊口的焊接，其他焊缝均未产生裂纹和腐蚀质量问题，焊接工艺符合标准要求。

（3）母材及焊接材料。

通过对管道母材、焊材的厂家提供的文件进行核查，管道母材、焊材质量文件齐全，满足设计文件要求;通过对法兰厂家提供的文件进行检查，发现缺少硬度试验、铁素体含量测试;另外，对比法兰原材料与厂家检验数据，厂家强度试验数据偏低。

对锻件法兰、管材、焊接材料化学成分和力学性能进行了检验，结果分别如表1、表2所示。

锻件法兰S32750试验项目（ASME SA-182）：化学分析[4]、常温拉伸、铁素体含量测试[5]、布氏硬度。

管材S32750试验项目（ASME SA-790）：化学分析[4]、常温拉伸、铁素体含量测试[5]、洛氏硬度、晶间腐蚀、点腐蚀、点蚀当量、弯曲性能。

焊丝ER2594试验项目（ASME SFA5.9）：化学分析、常温拉伸、铁素体、晶间腐蚀、点腐蚀[6-7]。

通过以上检测，发现该管道的铁素体含量不满足要求，达不到双向不锈钢的综合性能，对该材质存在疑问。

（4）焊接质量控制。

对现场施工过程记录进行核查，发现安装及检验工序单齐全，焊接过程经过QC及工程公司、监理见证，且4道焊口均经射线检验（RT）一次合格，未发现超标缺陷存在，质量检验过程符合设计文件和法规验收要求。

（5）裂纹产生的原因分析。

在海水泵出口反法蘭侧缺陷较为严重（见图1），共12处腐蚀孔和1处裂纹缺陷，现场对所有缺陷尺寸进行了测量。

通过对现场缺陷的定位发现，均在法兰侧存在贯穿性裂纹，由腐蚀现象导致，如图2～图4所示。

通过缺陷判断[5]，法兰开裂前裂纹部位局部已存在严重腐蚀现象，腐蚀深度均在2～4.5 mm，在调试起泵试验时，由于振动和管道内部压力的存在，法兰侧存在应力集中问题，腐蚀部位无法承受应力导致沿腐蚀点开裂，判断法兰裂纹是由于内壁腐蚀后无法承受振动和管道内部结构应力所产生的贯穿性开裂缺陷。

（6）腐蚀穿孔产生的原因分析。

对海水进行取样，海水氯离子浓度在23.5 g/L（正常条件下，母材S32750在氯离子浓度达到35.7 g/L时，耐点蚀性能才会明显下降）。海水进入该管道时间约为9～11个月，存在腐蚀介质氯离子。但管道与法兰为同材质，但管道并未出现腐蚀现象，仅仅法兰一侧出现贯穿性裂纹缺陷，结构应力集中于法兰侧焊缝处。

应力腐蚀是敏感材料在应力、特定腐蚀介质共同作用下引起的破坏，具有较为鲜明的特点。母材S32750为铁素体-奥氏体双相不锈钢，铁素体含量偏低，而奥氏体则对应力腐蚀非常敏感;根据对缺陷的判断，该腐蚀位置处在裂纹前存在局部腐蚀，且存在振动和管道内部压力，同时法兰侧因结构因素存在应力集中问题;该管道所处介质环境中氯离子浓度在23.5 g/L，属于奥氏体不锈钢易腐蚀的介质，综上所述，腐蚀穿孔满足应力腐蚀的三个条件，腐蚀穿孔产生的原因为材质达不到抗应力腐蚀所致。

2 处理措施

（1）按照核电管理要求，对缺陷物项开启不符合项报告，同时编制不符合项处理方案，由各管理方对处理方案审查通过后，发布实施;后续根据不符合项处理方案进行处理。

（2）承包商实施现场打止裂孔，及时去除裂纹，对该区域母材处缺陷打磨、清理干净并进行液体渗透检查，确认无缺陷后选用φ1.6 mm、牌号为ER259不锈钢焊丝，采用TIG工艺对母材进行补焊并进行无损检验，若检验不合格则重新进行处理。

（3）业主按照设计要求采购合格的法兰（材质为耐腐蚀敏感性良好的双向不锈钢），各方对法兰验收合格后，采用φ1.6 mm、牌号ER2594焊丝进行现场焊接，更换原法兰。

（4）对更换的法兰焊缝按照原验收标准要求进行无损检验，合格后，关闭不符合项报告。

3 结论

针对某核电站海水管路系统调试期间的泄漏问题，通过对人员资质及技能、技术文件、材料材质及性能等方面进行排查，得出以下结论：

（1）通过各要素排查，明确裂纹和腐蚀的产生满足应力腐蚀的三要素[8]：a. 敏感材质，管道材料为S32750，是铁素体-奥氏体双相不锈钢，经检验发现材料中铁素体含量不足，因此管道对氯离子敏感;b. 该腐蚀位置所处位置在裂纹前存在局部腐蚀，且存在振动和管道内部压力，同时法兰侧因结构因素存在应力集中问题;c. 管道运行介质为海水，氯离子含量较高，属于特定腐蚀介质。

（3）要解决腐蚀问题，需消除应力腐蚀三要素的条件，由于结构和所在介质环境固定，因此可通过更换非敏感材质且质量符合标准要求的双相不锈钢材质的法兰解决该问题。

参考文献：

[1] 白林越，江克斌，高磊，等. 残余应力对焊接结构应力腐蚀行为影响机理研究[J]. 热加工工艺，2017，46（21）：168-172.

[2] 侯冠宇，刘润青，梁平，等. S32750超级双相不锈钢在低温模拟海水中的腐蚀行为[J]. 材料保护，2018，51（5）：30-38.

[3] 盖红德，唐杰，戴家辉，等. 线能量对超级双相不锈钢S32750焊接接头组织和性能的影响[J]. 电焊机，2015，45（8）：166-169.

[4] 陈旭，梁平，李晓刚，等. 管线钢应力腐蚀开裂的影响因素[J]. 装备工程环境，2007（6）：21-25.

[5] 宋志刚，吴玫. 双相不锈钢的腐蚀与防护[J]. 不锈，2009（2）：49-54.

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[7] 何進，晏敏胜，杨丽景，等. S32750超级双相不锈钢在NaCl溶液中的临界点蚀温度及电化学腐蚀机理[J]. 中国腐蚀与防护学报，2015，35（2）：106-122.

[8] 周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）[M]. 北京：机械工业出版社，1995：69-70.