核用傳熱管表面劃傷致應(yīng)力腐蝕失效問題研究
金屬作為主要結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在實際生產(chǎn)、運輸和裝配過程中，金屬表面常常會出現(xiàn)劃傷缺陷。金屬構(gòu)件在特定的服役環(huán)境中，表面劃傷缺陷處的力學(xué)狀態(tài)、水化學(xué)環(huán)境都具有一定的復(fù)雜性，這嚴(yán)重影響了金屬構(gòu)件的服役安全，降低了其服役壽命。在現(xiàn)有工程環(huán)節(jié)，核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管表面劃傷問題難以避免。在高溫高壓水服役環(huán)境中，表面帶有劃傷的傳熱管面臨著發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的風(fēng)險，潛在影響著核電站的安全穩(wěn)定運行。因此，理清表面劃傷的變形行為、破壞機制及其對傳熱管SCC抗力的影響具有十分重要的意義。
表面劃傷及其影響因素
早在19世紀(jì)，MOHS就采用劃傷法科學(xué)地比較了兩種材料的硬度，開啟了對表面劃傷問題研究的先河。
至今，劃傷測試還廣泛應(yīng)用于金屬、高分子材料及涂層等領(lǐng)域以評估材料的硬度、耐劃傷性能、涂層與基材的結(jié)合強度、金屬表面鈍化膜的再鈍化性能等。此外，劃傷還被應(yīng)用于微納米加工過程，如壓痕光刻技術(shù)使用不同形狀的金剛石壓頭并通過控制載荷，在基材上可以形成具有不同凹坑或溝槽的圖案。
典型的表面劃傷過程可以描述為：以特定的力將硬而尖的壓頭壓入材料，壓頭以某一速度在基體表面層運動并使基體表面產(chǎn)生機械變形的過程。在表面劃傷過程中，材料的變形機制主要包括彈塑性變形、材料斷裂和碎屑分離。
劃傷過程和程度受以下三方面因素影響：
1｜壓頭幾何參數(shù)
在劃傷過程中，壓頭進(jìn)給使基材發(fā)生變形，因此，壓頭的幾何參數(shù)會影響劃傷過程及基材的損傷特征。實際工程中的劃傷，也因劃傷來源不同，對應(yīng)不同的劃傷形貌（深度、寬度、角度等）。
壓頭尖端形狀影響著劃傷凹槽的變形情況，如相比于立方角狀壓頭，球狀壓頭造成的劃傷影響區(qū)塑性變形較小。
圓錐形壓頭廣泛應(yīng)用于模擬工程中金屬表面意外劃傷的研究，其最關(guān)鍵的幾何參數(shù)之一為錐形壓頭攻角（錐形壓頭半角的余角）。研究表明，使用大攻角的錐形壓頭進(jìn)行劃傷時，劃傷凹槽前端塑性變形更為劇烈，但其所造成的劃傷影響區(qū)小于小攻角壓頭。
2｜劃傷速率
在評估涂層與基材結(jié)合力的劃傷試驗中，涂層分離的驅(qū)動力是由彈性變形應(yīng)力、摩擦應(yīng)力及涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力共同構(gòu)成的。涂層恰好發(fā)生破壞時所施加的法向載荷稱為臨界載荷，涂層對基材的附著力決定了臨界載荷的大小。另外，劃傷速率還可能會影響劃傷凹槽區(qū)域的物相組成。
3｜載荷
根據(jù)理論模型研究表明，劃傷載荷的大小影響著劃傷影響區(qū)的變形特點。研究發(fā)現(xiàn)隨著法向力的增大，劃傷變形從彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變，最終發(fā)展為斷裂；隨著法向力的不斷增大，劃傷過程由摩擦變形轉(zhuǎn)變?yōu)槔绺冃?。此外，劃傷載荷還影響著劃傷凹槽的形貌。如有研究發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增大，劃傷凹槽兩側(cè)的堆積峰變高，磨損量與應(yīng)變、載荷呈正比。
傳熱管材料及其服役環(huán)境
蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站的關(guān)鍵部件之一，它的主要功能是將熱量從一回路傳至二回路，形成高溫蒸汽進(jìn)而推動汽輪機發(fā)電。蒸汽發(fā)生器的主要金屬構(gòu)件有傳熱管、管板和管支撐。傳熱管是蒸汽發(fā)生器的核心部件，由于長期服役于苛刻的高溫高壓水工況中，其腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）問題是威脅壓水堆核電站安全運行的重要因素。
早期傳熱管材料常采用奧氏體不銹鋼及鎳基600合金，但在運行過程中均出現(xiàn)了嚴(yán)重的SCC。為了解決這個問題，人們不斷開發(fā)出各種傳熱管材料。1992年，加拿大B＆W公司Millstone 2號反應(yīng)堆開始使用鎳基690TT合金作為傳熱管材料。得益于較高的Cr含量，鎳基690TT合金作為新型傳熱管材料，無論是處于幾何縫隙內(nèi)、含氯、含鉛環(huán)境，還是在除氧高純水等環(huán)境中，其SCC抗力均顯著優(yōu)于鎳基600合金和304型不銹鋼。目前，鎳基690TT合金因出色的抗SCC性能，已經(jīng)成為壓水堆核電站最廣泛使用的蒸汽發(fā)生器傳熱管材料。
蒸汽發(fā)生器傳熱管服役環(huán)境為高溫高壓水環(huán)境。在二回路側(cè)，腐蝕和SCC多發(fā)于傳熱管和管板頂端區(qū)域、管板頂端表面附近的淤泥區(qū)、管支撐與傳熱管間的傳熱縫隙區(qū)，如下圖所示。
蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生傳熱縫隙的幾何結(jié)構(gòu)：（ａ） 管板頂端縫隙；（ｂ） 管板頂端淤泥區(qū)；（ｃ） 管支撐
傳熱縫隙中存在著因過程蒸發(fā)導(dǎo)致的離子濃縮和沉積效應(yīng)，導(dǎo)致Na+，K+，Ca2+，Cl-，SOx等雜質(zhì)離子局部濃縮富集。在傳熱管與管支撐的接觸區(qū)域，傳熱縫隙內(nèi)的雜質(zhì)離子濃縮濃度可以增大六個數(shù)量級，形成侵蝕性極強的局部環(huán)境。傳熱縫隙內(nèi)的溫度、雜質(zhì)離子濃度、電化學(xué)勢及流體性質(zhì)呈劇烈的梯度變化，這極大地促進(jìn)了腐蝕和SCC過程。此外，在壓水堆核電站運行過程中添加的藥劑也使得雜質(zhì)離子種類變得復(fù)雜多樣。例如，為了降低二回路中溶解氧（DO）含量和蒸汽發(fā)生器用合金材料的腐蝕電位，二回路的給水通路中通常會加入聯(lián)氨（N2H4）等藥劑。聯(lián)氨的加入可使SO42-被還原成為低價S，如HS-、H2S、S4O62-和S2O32-等。
可見，傳熱管服役環(huán)境復(fù)雜而苛刻，極易受到局部腐蝕的影響。
傳熱管表面劃傷致應(yīng)力腐蝕失效案例
蒸汽發(fā)生器傳熱管約占一回路邊界承壓面積的80%，而現(xiàn)行通用的傳熱管壁厚為1~1.2mm。運行經(jīng)驗表明，傳熱管是一回路壓力邊界處的脆弱部位之一。傳熱管一旦失效，可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)由一回路泄漏至二回路，嚴(yán)重時需進(jìn)行停堆堵管處理。
目前世界上已發(fā)生了多起由表面劃傷缺陷導(dǎo)致的蒸汽發(fā)生器傳熱管SCC失效案例，其中兩個典型案例如下：
01 1992年McGuire2號堆的蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生了泄漏事故。
對事故構(gòu)件進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生于傳熱管自由端區(qū)域，而傳統(tǒng)認(rèn)為該區(qū)域不易發(fā)生SCC。相比而言，暴露于工況條件更為苛刻的濃縮環(huán)境中（即傳熱縫隙之中）的管段卻未發(fā)生失效；而傳熱管自由端的表面卻發(fā)生了失效，且裂紋萌生于傳熱管表面劃傷缺陷的位置，這受到了人們的廣泛關(guān)注。
02 由美國Duke公司于1973年4 月投入商業(yè)運營的Oconee核電站的1號、2號反應(yīng)堆曾發(fā)生過蒸汽發(fā)生器傳熱管的SCC。
工作人員經(jīng)過檢查，取出了7根問題傳熱管，經(jīng)分析，其中一根取自自由端的600合金傳熱管，在表面劃傷處出現(xiàn)了SCC裂紋的萌生與擴展，且其裂紋擴展最深部已到達(dá)了管壁約47%厚度處。對多根管段進(jìn)行測試，結(jié)果表明裂紋大都沿合金管制造和組裝過程中所形成的不同程度表面劃傷凹槽部位擴展。對傳熱管進(jìn)行爆破測試，該管在最小的爆破壓力條件下就發(fā)生了破裂。
表面劃傷缺陷對傳熱管服役過程中的SCC抗力有著極大的影響，理清其損傷機制，科學(xué)地評估各種條件下表面劃傷對SCC抗力的影響，對于核電站的安全運行具有重要意義。
目前，表面劃傷致SCC失效案例均出現(xiàn)在600合金傳熱管上。雖然現(xiàn)役690TT合金的SCC抗力遠(yuǎn)高于600合金的，但這并不意味著690TT合金未來就不存在SCC開裂風(fēng)險。
傳熱縫隙區(qū)工況苛刻，一旦該區(qū)域出現(xiàn)劃傷，其危害程度就會大大加深，故需要通過試驗評估。此外，長期服役的傳熱管材料還面臨熱老化等因素的影響。研究表明，熱老化690合金的SCC敏感性會提升至與高冷變形690合金相似的水平。
綜合這些因素，如果出現(xiàn)表面劃傷損傷，長期服役的690合金依然面臨SCC風(fēng)險。美國等核電發(fā)達(dá)國家都積極開展了核電站延壽工作，其中已有部分延壽至60年以上，我國也處于核電延壽工作評估流程、標(biāo)準(zhǔn)建立的重要時期，故研究傳熱管劃傷的影響，具有現(xiàn)實意義。
傳熱管表面劃傷的來源
在生產(chǎn)制造、運輸及安裝這三個環(huán)節(jié)，蒸汽發(fā)生器傳熱管都可能會出現(xiàn)表面劃傷。
#在傳熱管的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)
因設(shè)備及人為原因誤操作，可能會給傳熱管表面造成劃傷、刻痕缺陷，這其中既可能在傳熱管外表面（即二回路側(cè)）造成表面劃傷，也可能在傳熱管內(nèi)表面（即一回路側(cè)）造成劃傷。隨著制造工藝的改良、加工精度的提高、生產(chǎn)人員操作水平和意識的增強及諸如役前渦流檢測等質(zhì)量檢測手段的進(jìn)步，在傳熱管生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)表面劃傷問題的可能性已經(jīng)越來越低。
#在傳熱管的運輸環(huán)節(jié)
因管材搬運、長途運輸、封裝、吊運過程中的疏忽和防范意識缺失，可能會在傳熱管表面造成劃傷缺陷。人們已經(jīng)認(rèn)識到保護(hù)傳熱管表面狀態(tài)的重要性，加強了運輸過程中對管材表面的保護(hù)，故在傳熱管運輸環(huán)節(jié)出現(xiàn)表面劃傷問題的可能性也越來越低。
#在傳熱管的安裝環(huán)節(jié)
穿管階段一旦操作不當(dāng)，傳熱管與管板間會產(chǎn)生接觸式的線性相對運動，導(dǎo)致傳熱管外壁出現(xiàn)劃傷。為避免管板與傳熱管之間的微小振動，避免出現(xiàn)傳熱縫隙，減小傳熱管與管板間發(fā)生微動磨損和縫隙腐蝕的可能，在核電站設(shè)計與安裝時，穿管后通常要進(jìn)行液壓脹接。液壓脹接階段，一方面，芯軸要經(jīng)過多次使用，其配件常出現(xiàn)磨損和起毛邊、碎屑的現(xiàn)象；另一方面，液壓脹管前諸如封口焊等工序也會在傳熱管內(nèi)部形成金屬屑，帶有這類問題的芯軸插入傳熱管脹接區(qū)時，與傳熱管內(nèi)表面間產(chǎn)生摩擦，會對內(nèi)表面造成劃傷。
傳熱管表面劃傷導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕研究
研究人員針對蒸汽發(fā)生器傳熱管表面劃傷導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕進(jìn)行了各種試驗分析與研究，得到以下結(jié)論：
表面劃傷會使材料表面和距表面不同距離區(qū)域產(chǎn)生不同程度的變形，將會對傳熱管近表面造成微觀結(jié)構(gòu)梯度改變，通常會促進(jìn)高溫高壓水中傳熱管表面的SCC裂紋萌生和擴展。
劃傷凹槽底部不僅在劇烈變形層與未變形基體之間存在應(yīng)變變化，而且變形層內(nèi)部本身也存在應(yīng)變的梯度分布。研究表明冷變形會顯著提高鎳基合金在高溫水中的SCC敏感性。冷變形區(qū)域會發(fā)生硬化和應(yīng)力集中，同時伴隨產(chǎn)生大量的空位和位錯等晶體缺陷，從而削弱了高應(yīng)變區(qū)的抗SCC性能，在拉應(yīng)力作用下更易出現(xiàn)SCC裂紋。此外，冷變形也會提高SCC裂紋尖端的氧化速率。出現(xiàn)在晶界和變形區(qū)的SCC裂紋尖端陰離子擴散加快，優(yōu)先發(fā)生氧化，加速腐蝕發(fā)生和SCC裂紋的擴展。
材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力會影響SCC行為，尤其是處于近表面或微裂紋尖端附近的殘余應(yīng)力。劃傷變形區(qū)的殘余應(yīng)力分布不均，差異明顯。
材料微觀結(jié)構(gòu)梯度變化將對傳熱管SCC抗力產(chǎn)生影響。劃傷過程中產(chǎn)生的滑移帶、機械撕裂微裂紋、高度變形的晶界、高能亞穩(wěn)態(tài)晶體區(qū)域等都有利于SCC裂紋的萌生和擴展。
此外，因劃傷帶來的幾何形貌改變，表面劃傷凹槽底部在SCC測試中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而促進(jìn)SCC裂紋萌生。當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時，局部應(yīng)力逐漸超過材料的抗拉強度，就會形成機械裂紋。在外界載荷不斷增加的條件下，這類機械裂紋不斷張開，始終無法達(dá)到穩(wěn)定鈍化狀態(tài)，處于活化狀態(tài)的裂紋尖端與高溫高壓腐蝕介質(zhì)持續(xù)作用。恒載時，機械裂紋不再擴展，若該機械裂紋末端終止于晶粒內(nèi)部，裂紋便不再保持活化狀態(tài)，繼續(xù)增大外加應(yīng)力，裂紋就會趨于穿晶擴展；若該裂紋終止于晶界附近，即使在恒載作用下，裂紋也會發(fā)生沿晶擴展。
傳熱管表面劃傷的修復(fù)措施
在工程上，對于傳熱管表面劃傷位置，常用的處理方法是對劃傷凹槽部位進(jìn)行均勻打磨，其處理原則為將劃傷凹槽附近的表面毛刺去除。對于較深的劃傷凹槽，由于不能對傳熱管進(jìn)行過度減薄，因而只將凸起部位的毛刺去除，以降低表面局部異質(zhì)度。但經(jīng)處理后的傳熱管表面劃傷位置依然存在著劃傷凹槽，服役時劃傷區(qū)下方仍保持著局部變形。表面的打磨再處理會對劃傷凹槽附近的周圍局部組織產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響其腐蝕抗力，因此需要進(jìn)一步通過試驗研究對其進(jìn)行科學(xué)評估。
結(jié)束語
綜上所述，表面劃傷問題是影響以核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管為代表的金屬結(jié)構(gòu)件服役壽命的一個重要因素?；谝延械难芯?，仍存在一些亟待解決的問題和潛在的研究方向：
1根據(jù)表面劃傷變形模型將材料在劃傷過程中的變形行為大致分為彈塑性變形、材料斷裂和碎屑分離這三個變形階段，取得了一系列的試驗驗證結(jié)果。然而劃傷是一個多種變形形式復(fù)合的過程，影響因素多而復(fù)雜?，F(xiàn)階段對于表面劃傷變形模型、損傷機理的研究，一方面多采用有限元模擬方法而缺少試驗驗證；另一方面缺少金屬的晶粒與壓頭間接觸的相互作用模擬及后續(xù)試驗驗證。
2對于不同幾何參數(shù)、不同劃傷速率及不同載荷作用下的劃傷，尚缺乏對劃傷影響區(qū)進(jìn)行較為系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)分析表征，定量描述劃傷損傷程度的方式也較為簡化。在今后的研究中，需要對不同變形參數(shù)下劃傷影響區(qū)產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)梯度變化、局部力學(xué)性能變化、殘余應(yīng)力／應(yīng)變分布等的影響進(jìn)行研究。
此外，應(yīng)從三方面優(yōu)化劃傷損傷程度定量方式：第一，引入諸如劃傷凹槽深寬比、兩側(cè)塑性剝離堆積截面積等參量對劃傷凹槽的幾何參數(shù)進(jìn)行描述；第二，研究中應(yīng)注重對劃傷速率進(jìn)行定量描述；第三，從諸如梯度材料的分層、殘余應(yīng)變的分布、硬度的分布等微觀結(jié)構(gòu)組織角度進(jìn)行描述。增強對金屬表面劃傷的變形行為和損傷特點的認(rèn)識。
3SCC由材料、應(yīng)力、環(huán)境三方面因素共同決定。表面劃傷帶來的微觀結(jié)構(gòu)梯度、微區(qū)應(yīng)力集中損傷、材料局部缺陷極大地影響了帶有表面劃傷的金屬材料的SCC抗力，但其具體作用機制尚不清晰。在材料方面，劃傷引發(fā)材料近表面產(chǎn)生宏觀撕裂微裂紋和變形影響區(qū)，內(nèi)部具有大量亞穩(wěn)態(tài)微觀晶體缺陷、晶界扭曲；應(yīng)力方面，劃傷造成嚴(yán)重的微區(qū)應(yīng)力集中；環(huán)境方面，水化學(xué)（如溶解氧、溶解氫、pH、雜質(zhì)離子等）、溫度、壓強等條件都會影響腐蝕過程。由此，針對以上影響因素分別開展腐蝕測試試驗，嚴(yán)格控制變量，以此衡量不同影響因素對SCC的貢獻(xiàn)，建立多因素耦合的數(shù)值評估模型，闡明帶有表面劃傷的金屬材料的SCC機制，具有重要的科學(xué)意義。
4表面劃傷問題影響著蒸汽發(fā)生器傳熱管服役性能和核電站安全運行，劃傷誘發(fā)的傳熱管SCC失效，已引起核電行業(yè)的重視，但相關(guān)研究仍不成熟。工程現(xiàn)場的劃傷因其來源和尺寸紛繁復(fù)雜，例如，對于不同管子支撐板孔，尤其是梅花管孔在其不同尺寸公差下所形成的表面劃傷及其他各類人為因素導(dǎo)致的穿管表面劃傷，脹管表面劃傷等情形缺乏系統(tǒng)調(diào)研。對傳熱管各類表面劃傷程度展開系統(tǒng)調(diào)研，建立不同類型、不同尺寸公差的傳熱管支撐結(jié)構(gòu)的表面劃傷模型，具有重要的工程意義。
5目前，690合金傳熱管表面劃傷的安全閾值在國際范圍內(nèi)沒有統(tǒng)一的結(jié)論。究竟什么尺寸的表面劃傷是工程應(yīng)用中可以接受的？這需要對不同尺寸的劃傷進(jìn)行高溫高壓水環(huán)境腐蝕試驗。另一方面，針對傳熱管表面不同尺寸的劃傷缺陷，提出適當(dāng)?shù)男迯?fù)手段和方法，并對修復(fù)工藝進(jìn)行有效評估，從而為蒸汽發(fā)生器的制造提供指導(dǎo)意見，同樣具有重要的工程意義。