奧氏體不銹鋼具有優良的成型性和焊接性，容易被制成不同形狀或尺寸的產品，且不會影響不銹鋼的強度或耐用性。此外，奧氏體不銹鋼中鉻元素和鎳元素的含量較高，具有良好的耐腐蝕性[1-2]。因此，奧氏體不銹鋼是使用較為廣泛的管件材料。 

核電廠汽輪機旁路排放系統的主要功能是當反應堆功率與汽輪機載荷不一致時，該系統可把多余的蒸汽排向冷凝器、除氧器和大氣，為反應堆提供外加載荷，從而避免核蒸汽供應系統中溫度和壓力超過保護閾值，確保電廠的安全[3]。疏水器用于蒸汽系統中，主要作用是自動識別并排放蒸汽管道中的冷凝水，同時阻止蒸汽泄漏[4]。由于疏水器在正常工作時會不斷向下游輸送冷凝水，故下游管道不可避免地會承受交變應力的作用。 

某核電廠汽輪機旁路排放系統管道材料均為304不銹鋼，系統中安裝的某個疏水器出口管道在使用僅1 a后就發生開裂。筆者采用宏觀觀察、掃描電鏡（SEM）分析、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試等方法對彎管的泄漏原因進行分析，以避免類似事件再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

發生泄漏的疏水器出口管道由一段直管、一段60°彎管和一段90°彎管組成。開裂處位于90°彎管的外彎面上，外表面焊接護板為發現彎管泄漏后臨時加上的，由管道內表面可觀察到沿軸向分布的裂紋（見圖1）。 

圖  1  開裂彎管整體及其裂紋宏觀形貌

將90°彎管上堵漏護板切割下后，觀察其外表面，彎管開裂處兩端存在止裂孔，靠上游側的裂紋未發生擴展，下游側裂紋繼續擴展了45 mm左右，未擴展到護板端部位置（見圖2）。 

圖  2  開裂彎管外表面裂紋宏觀形貌

1.2   掃描電鏡分析

現場90°彎管已發生泄漏，用帶冷卻水的切割機切下彎管兩個止裂孔之間的裂紋試樣，利用掃描電鏡觀察打開裂紋后的斷口形貌（見圖3）。由圖3可知：斷口整體平齊，未見局部變形特征[見圖3（a）]；彎管起裂區的正面（外表面）可觀察到直徑約為2 mm的凹坑[見圖3（b）]；裂紋由該凹坑處起裂，斷口的起裂區及中部和靠近內表面的擴展區均可觀察到細小的疲勞條紋及氧化產物[見圖3（c）]；靠近內表面的斷口上可觀察到沿軸向分布的疑似裂紋缺陷[見圖3（d）]。斷口表面能譜分析結果未檢出氯、硫等腐蝕性元素，說明彎管由表面凹坑缺陷處發生疲勞開裂，并向內表面疲勞擴展直至貫穿。不銹鋼基體上存在潛在沿軸向分布的裂紋缺陷。 

圖  3  斷口表面、起裂區、裂紋擴展區SEM形貌

1.3   化學成分分析

依據GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，利用直讀火花光譜儀檢驗90°彎管母材的化學成分，結果如表1所示。由表1可知：彎管的化學成分符合GB/T 14975—2012《結構用不銹鋼無縫鋼管》對304（S30408）不銹鋼材料成分的要求。 

1.4   金相檢驗

用線切割機在90°彎管最大角度外彎處取橫截面金相試樣和下游裂紋尖端金相試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：彎管組織為奧氏體，外表面奧氏體晶內存在位錯滑移帶；外彎處的主裂紋呈穿晶形態。說明90°彎管發生冷加工變形硬化，其奧氏體晶內產生大量滑移帶。 

圖  4  彎管及裂紋尖端顯微組織形貌

依據GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，將試樣切割、清潔、鑲嵌、打磨、拋光后，采用方法A（最劣視場法）對90°彎管的非金屬夾雜物進行評級，結果如圖5所示。評級結果為B類（氧化鋁類）粗系1級，細系2級，D類（球狀氧化物類）細系1級，DS類（單顆粒球狀類）1級。 

圖  5  彎管夾雜物微觀形貌

1.5   硬度測試

依據GB/T 4340.1—2024《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，利用維氏硬度計測量90°彎管外彎處的硬度，結果如表2所示。由表2可知：與GB/T 14975—2012中規定的304不銹鋼硬度相比，90°彎管的硬度偏高，尤其外表面硬度為標準要求最大值的180%以上。90°彎管硬度偏高與其冷加工引起材料硬化有關，材料的硬化程度越高，脆性越大，抗裂紋擴展能力越差。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗分析結果可知，90°彎管的化學成分滿足標準要求，其內、外表面奧氏體晶粒組織中存在較多滑移帶，硬度偏高，鋼材基體夾雜物含量偏高，純凈度較差。 

為了保證奧氏體不銹鋼具有優異的耐腐蝕性能和力學性能，通常應在加工變形后對其進行固溶處理，使其組織為單相奧氏體[5-6]。開裂的90°彎管存在明顯的加工硬化層，由于該彎管由直管現場彎制而成，故判斷該彎管冷彎后未進行固溶處理，不銹鋼在冷加工過程中會發生位錯密度增加，出現碎晶、晶格畸變增加等現象，這些因素都會導致位錯滑移阻力增大，從而使材料的強度和硬度升高，但材料的塑性、韌性降低。不銹鋼在加工硬化狀態的作用下，其加工硬化程度越高，裂紋擴展的驅動力越大[7-9]，即韌性和塑性越差。另外，由于不銹鋼鋼材基體的純凈度較差，在冷彎過程中，其表面和內部都會出現裂紋缺陷。由于90°彎管外表面還存在一處凹坑缺陷，該缺陷處是應力集中部位，極易成為裂紋源[10-11]，疏水器工作時彎管振動，應力集中部位的裂紋發生疲勞擴展，這些因素使裂紋在振動工況下沿夾雜物方向（軸向）擴展直至貫穿。 

3.   結論及建議

（1）90°彎管開裂主要是由于彎管在冷加工后未進行固溶處理，導致其表面硬化程度較高，塑性和韌性較差。 

（2）彎管表面存在的凹坑缺陷成為裂紋源，彎管所在管道系統中的振動工況使裂紋發生疲勞擴展，另外彎管基體中夾雜物含量較高，在冷彎過程中，彎管表面及內部產生裂紋缺陷，這些因素使裂紋擴展直至開裂。 

（3）建議后續對該類管件進行入廠前驗收，確保管件為固溶處理態，且無表面缺陷。

文章來源——材料與測試網