分享：高压缸侧排汽测温套管泄漏原因

• 唐彬, 
 
• 赵宇翔, 
 
• 徐祺, 
 
• 陈高詹, 
 
• 陈乐

• 中国核动力研究设计院机构,成都 610041

某核电站高压缸排汽温度探头位于主蒸汽管道上,该温度探头选用热电偶作为测温仪表,热电偶感温部分与被测介质接触,在运行期间,该温度探头测温功能出现了明显的偏差,排气温度指示从166.8 °C缓慢降低至158 °C,检查显示测温套管出现泄漏孔。笔者采用一系列理化检验方法对套管出现泄漏孔的原因进行分析,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

泄漏套管的宏观形貌如图1所示。由图1可知：泄漏孔形状较规则,呈盾牌状,长度为16.12 mm,宽度为6.2 mm。 

图  1  泄漏套管宏观形貌

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利用线切割方式剖开套管,对断口进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：套管螺纹咬合数为5牙,密封焊缝正常,外部渗透结果未见异常,焊缝未受到高温、高速流体的冲刷作用,孔内部未见明显腐蚀痕迹；迎气面整体发生了比较深的全面减薄,而另一侧几乎没有被腐蚀,腐蚀面整体呈黑色,表面分布有铁红色的锈迹,套管其他部位表面覆盖了一层黑色氧化膜；套管前端发生了较为规则的减薄,以套管中心线呈轴对称,轮廓呈流线形,腐蚀深度的变化较为均匀,符合均匀冲蚀后的剖面特征；套管前端减薄量大,最深处减薄约为9.5 mm。表明汽流对套管的冲刷作用是减薄的主要原因。 

图  2  套管断口的宏观形貌

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1.2   化学成分分析

在泄漏套管上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：套管的化学成分满足GB/T 711-2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》对20号碳钢的要求。 

Table  1.  泄漏套管的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo
实测值	0.17	0.019	0.837	0.079	-	0.018	0.208	0.016
标准值	0.17~0.23	0.17~0.37	0.35~0.65	≤0.035	≤0.035	≤0.30	≤0.25	-

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1.3   硬度测试

在套管减薄处与未减薄处取样,对试样进行维氏硬度测试,测试载荷为9.8 N,保持时间为15 s。减薄处的硬度测试结果为168.4,152.8,154.1 HV,未减薄处的硬度测试结果为162.7,158.4,158.5 HV。根据GB/T 1172—1999 《黑色金属硬度及强度换算值》换算成的布氏硬度,减薄处与未减薄处的硬度均不超过156 HBW,符合GB/T 699—1999 《优质碳素结构钢》的要求。同一剖面上的硬度分布均匀,减薄处和未减薄处的硬度相差不大,表明腐蚀面与未腐蚀面的硬度没有明显差异。 

1.4   金相检验

在套管未减薄处截取金相试样,经磨制、抛光、腐蚀处理后,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知：试样组织为亚共析铁素体和珠光体,是典型的亚共析钢组织,且组织比较纯净,未见明显的夹杂,晶粒大小均匀,晶粒尺寸未见明显粗化,铁素体质量分数约为96%,处于正常范围。 

图  3  套管未减薄处的显微组织形貌

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1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

在套管迎气面表面截取试样,对试样进行SEM分析,结果如图4所示。由图4可知：套管迎气面主要存在白色发亮的氧化物区域和黑色基体金属区域,黑色基体区域呈多孔特征,与碳钢在高温汽水回路中流动加速腐蚀的形貌不同,但与碳钢表面氧化后再进行脱膜的形貌类似,和冲刷腐蚀的形貌相吻合[1]。 

图  4  套管迎气面表面SEM形貌

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对套管冲刷位置进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知：套管冲刷位置的化学成分与基体相近,没有明显异常。说明套管表面受到二回路蒸汽的冲蚀作用,冲刷流体较为纯净。 

图  5  套管冲刷位置的能谱分析结果

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2.   综合分析

碳钢的冲刷腐蚀机制为：在管内表面形成厚度为10~15 μm的Fe3O4膜,膜的厚度取决于氧通过膜的扩散速率,而扩散过程又受膜厚度的制约,当附着的氧化膜受外部影响而破裂时,母材暴露,出现加速氧化现象[2-3]。 

套管的迎气面发生了规则的减薄,减薄形状呈流线形,腐蚀深度变化均匀,符合均匀冲蚀后的剖面特征。该套管材料为20号碳钢,未减薄处组织为亚共析铁素体和珠光体,是典型的亚共析钢组织,减薄处存在白色发亮的氧化物,与碳钢表面氧化后再脱膜的形貌类似,说明该套管主要发生冲刷腐蚀。 

泄漏套管位于汽轮机高压缸出口处,出口水蒸汽具有温度高、压力大、有一定的湿度且流速快等特点,套管表面在蒸汽冲刷作用下被腐蚀。由于碳钢表面腐蚀形成的氧化膜不够致密,不能形成有效钝化保护作用,在高速蒸汽流冲刷作用下,碳钢表面氧化膜脱落,露出碳钢基体,裸露的基体在蒸汽中再次被氧化腐蚀,导致套管在氧化-脱落的循环过程中不断发生减薄,最终导致套管发生泄漏。 

3.   结论与建议

高压缸释放的高温蒸汽对测温套管产生了较强的冲刷腐蚀作用,使套管发生较深且规则的均匀减薄,最终导致套管泄漏。 

建议将套管材料更换为Cr元素含量更高的材料,使表面形成致密氧化膜,如抗冲刷腐蚀性能较好的奥氏体不锈钢。