为查明某核电厂核一级奥氏体不锈钢管道射线插塞孔开裂的原因，对含插塞孔不锈钢管段的宏微观组织、化学成分、力学性能、显微硬度、断口形貌、腐蚀产物、应力分布等进行了分析。结果表明：裂纹以沿晶方式扩展，断口呈冰糖块脆性断裂花样并伴有大量氧化腐蚀产物，属于典型的压水堆一回路水介质条件下由应变一硬化导致的晶间应力腐蚀开裂。引起插塞孔局部应变一硬化的主要原因是插塞孔和插塞因加工或装配过程中的过盈配合，以及密封焊缝焊接残余应力。建议加强在役机组同类结构的检查，减少新建机组类似结构的使用。

   为减少曝光时间，核电站部分大口径核级厚壁管道环焊缝普遍采用射线插塞孔（又称导源孔）。射线检验时，放射源通过垂直于管道轴线的带内螺纹插塞孔进入管道中心曝光；检验完成放射源抽出后，用带外螺纹的插塞旋入插塞孔并进行密封焊。载荷由螺纹结构承担，焊缝仅起密封作用。2013年４月，国内某核电厂大修期间在核一级余热排出系统奥氏体不锈钢管道射线插塞孔周边发现了液体渗透超标线性显示。管道规格为＃323.9ｍｍｘ28.6ｍｍ，插塞孔规格为Ｍ27ｘ1.5ｍｍ，二者通过螺纹连接，材质均为Z2CND18-12NＺ（相当于美国牌号316L）。为保守决策，电厂对含插塞孔缺陷管段进行了整体更换并取消了原射线插塞结构，射线检验改用双壁单影法代替。2011年，国内另一核电站余热排出系统316L不锈钢弯管也曾出现了因材料冷作硬化导致的晶间应力腐蚀开裂。在出现裂纹的插塞孔附近不锈钢管段和插塞本体上线切割取样，通过化学成分分析、力学性能和维氏硬度测试、显微组织分析、裂纹截面分析、裂纹断口扫描电镜及能谱分析、插塞孔局部应力分布有限元分析等，确定了射线插塞孔缺陷性质，分析了失效原因并提出了纠正措施。

一、理化检验

   奥氏体不锈钢具有良好的塑軔性和抗腐蚀性，常被用于制造核级工艺管道。除了常见的夹杂、分层、孔洞、划伤、热处理工艺不当等制造缺陷外，奥氏体不锈钢管道在服役期间可能会出现氢脆、腐蚀和热疲劳等役致缺陷。具体的缺陷性质需要结合理化检验、运行工况、环境条件等综合判断。

1. 宏观、微观形貌

   液体渗透检验（PT）在插塞孔周围发现了５处裂纹，呈放射状分布，最长达19ｍｍ，超声实测深度约15ｍｍ。分别在管材、插塞上取了４组分析试样，裂纹宏观形貌及取样位置如图所示。用光学显微镜观察微观形貌如图所示，可以看出基本为单相奥氏体以及少量碳化物和孪晶，晶粒度为６级，晶粒尺寸约20-100ｐｍ，晶粒中未见冷加工滑移带。近插塞孔处裂纹宽度达400nm，裂纹以沿晶界方式为扩展，在裂纹中部及裂纹尖端可见少量沿晶扩展的二次裂纹。

2. 化学成分

   管材及插塞化学成分结果如表所示，经过与《压水堆核岛机械设备设计和建造规范》（RCCM）对比，可以确定管材和插塞材质均为Z2CND18-12NＺ，与设计文件相符。其中，铬、镍、锰等主要合金元素含量均在标准限值内，磷、硫等杂志元素含量也低于标准上限。

3. 力学性能

  管材（靠近、远离插塞孔各取一组）常温拉伸、高温拉伸（350°Ｃ）、冲击性能测试结果如表所示，结果表明管材处于固熔状态，塑、韧性良好，力学性能指标满足规范要求。

4. 硬度测试

   管材轴向、径向维氏硬度分布曲线如图所示，插塞本体维氏硬度分布如图所示。可以看出，管材和插塞在裂纹部位硬度最高，并沿着远离裂纹方向逐渐降低，二者在裂纹部位均发生了局部硬化，从而引起局部微观组织的变化并萌生裂纹。而且，管材硬度整体高于插塞，有利于螺纹孔的保护，符合正常的螺纹结构设计要求。

5. 断口形貌及腐蚀产物成分

   裂纹断口呈扇形，其形貌如图所示，粗糙的断口表面附着有大量黑色腐蚀产物。腐蚀产物的数量直接反映了裂纹暴露在腐蚀介质中的时间长短和先后顺序，表明裂纹起源于管材外表面近插塞孔处。

   断口典型SEM形貌如图所示，裂纹断口为冰糖块花样脆性断口，可见沿晶扩展的二次裂纹和多面体形貌腐蚀产物，未见疲劳辉纹。能谱分析结果表明腐蚀产物多为铬、铁、镍的氧化物（某典型测点铬、铁、镍的质量百分数分别为5.18％、50.26％和10.41％），氧离子是导致腐蚀发生的关键敏感元素。脱膜后许多腐蚀产物在断口晶面上脱落而形成小孔，形貌如图所示，可见断口上存在沿晶的二次裂纹，呈冰糖块花样。

二、缺陷性质与成因分析

1. 插塞孔应力分析

    在模拟焊接温度场作用下，运用有限元分析软件分析插塞与插塞孔过盈配合时插塞孔附近管材的应力分布，因插塞孔结构对称只需截取一半建立有限元模型，选用八节点六面体实体单元，结果如图所示。管材外表面等效应力沿插塞孔径向往外测递减，最大应力327.3ＭＰa位于螺纹孔与管材外表面相交处。插塞孔内应力沿轴向由管材外表面向内表面递减。应力分布规律与硬度测试结果基本一致。

2. 缺陷成因分析

   断口表面附着的大量腐蚀产物及成分分析说明缺陷与腐蚀相关，非氢脆。与316L不锈钢相关的腐蚀失效类型主要包括：晶间腐蚀、腐蚀疲劳和应力腐蚀等，但各种失效类型从宏观上和微观上表现出的开裂特征不同。晶间腐蚀的裂纹出现在不锈钢与介质所接触的整个界面上，裂纹深度与宽度无数量级的差别，可以排除。腐蚀疲劳在裂纹断口处（尤其是裂纹尖端）可见疲劳辉纹，在宏观上通常表现为断口平整、光滑，多呈锯齿状和台阶状，不符合本案例微观检验未见疲劳辉纹的结果。而应力腐蚀从宏观上看断口比较粗糙，裂纹深度与宽度相差很大，断口呈冰糖块脆性断裂花样，断口上伴有大量腐蚀产物。与本案例前述分析结论相吻合：裂纹起源于管材外表面插塞孔附近，宏观可见断口粗糙，附着大量腐蚀产物，裂纹深宽比较大，未见疲劳辉纹；微观可见裂纹及二次裂纹均以沿晶方式扩展，断口呈冰糖块脆性断裂花样，符合晶间应力腐蚀开裂的特征。

  敏感材料、特定腐蚀介质和拉应力是产生应力腐蚀必须同时具备的三个基本条件。插塞孔管材以及插塞本体均为316L奥氏体不锈钢，国内外已有大量研宄表明316L材料在压水堆一回路水介质条件下对应力腐蚀开裂较为敏感，尤其是存在局部存在应变一硬化时。美国通用电气腐蚀首席科学家在实验室做了大量有关奥氏体不锈钢晶间应力腐蚀实验研究及裂纹扩展速率试验，其研宄结果显示即使材料表面存在较小的应变如表面抛光、打磨、划伤等，奥氏体不锈钢在PWR回路介质条件下易于产生晶间应力腐蚀开裂，典型形貌如图所示。

   失效插塞孔所处管段与一回路主管道热段直接相连，正常运行时因下游阀门关闭而成为含有一回路水介质的“死管段”。插塞螺纹孔缝隙小，利于腐蚀产物的聚集。此外，在机组热停堆阶段进行的氧化运行会加剧氧离子的聚集。综上，失效插塞孔具备产生氧致应力腐蚀的介质条件。插塞孔拉应力主要来源应变一硬化，形成原因主要包括：①在管材上加工插塞孔和用丝锥攻螺纹，不可避免地会引起管材的应变一硬化；②试样加工过程中发现插塞和插塞孔螺纹均受到严重损坏，螺纹基本被磨平，说明二者存在过盈配合；③由于奥氏体不锈钢导热性差、线性膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接残余应力。设计文件特别规定：插塞拧紧焊接之前必须反转90°，以防焊接时因热胀冷缩损伤螺纹。

三、结论与建议

１. 基本结论

   通过力学性能测试、裂纹宏观和显微组织分析、断口SEM／EDS分析等，可见断口粗糙、呈冰糖块脆性断裂花样并伴有大量腐蚀产物，裂纹以沿晶方式扩展且深宽比大，可以确定该射线插塞孔裂纹为典型的压水堆一回路介质条件下因硬变一硬化引起的晶间应力腐蚀开裂。导致局部应变一硬化的主要原因是插塞孔和插塞因制造或装配因素存在过盈配合，以及焊接残余应力。

2. 处理措施

   若在难以更换的不锈钢管道射线插塞孔附近发现的浅表面微裂纹或其他缺陷，可以通过打磨的方法去除原密封焊缝熔敷金属和缺陷以后，再按照原焊接工艺实施密封焊接，焊接过程中应采取层间PT的方法来确保焊接质量。并在机组检修期间对已处理过的射线插塞焊缝进行连续跟踪。若在更换难度不大且便于使用双壁单影法进行射线检验的不锈钢管道射线插塞焊缝发现超标缺陷，可以考虑取消原射线插塞结构并对含插塞孔缺陷的管段进行整体更换，彻底排除隐患。

3.经验反馈

   若钻孔或装配操作不当，奥氏体不锈钢射线插塞孔结构易产生局部应变一硬化现象，存在较高的应力腐蚀开裂风险。为降低同类缺陷的发生几率，建议加强运行机组类似结构的无损检测监督并减少新建核电机组射线插塞结构的使用。若核级奥氏体不锈钢管道必须采用插塞孔结构，则应加强插塞制作和装配操作过程的质量控制。

（１）焊接前，应重点关注设计文件的相关规定：“插塞拧紧焊接之前必须反转90°，以防焊接时因热胀冷缩损伤螺纹”，并仔细检查组对质量确保装配间隙符合技术要求。

（２）采用SMAW及TIG焊接时，一方面应采用小规范小电流焊接，避免过大的焊接热输入导致兰脆现象及焊接应力集中，另一方面应控制层间温度小于150℃。

（３）焊接完成后及时进行表面清理和无损检测，对于表面成形不良或其他缺陷应及时打磨去除后进行补焊修处理。