双回路高温水下316不锈钢管：内外壁失效为何不同？

2026-03-11

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在压水堆蒸汽发生器服役体系里，316 不锈钢传热管既是传热元件，也是一次回路与二次侧之间的关键隔离屏障。工程上真正棘手的问题在于内壁面对一次侧化学控制与更高温更高压的流动冷却剂，外壁面对二次侧的另一套水化学与热工水力条件。许多实验室研究为了简化，会把试样放在单一釜内，给出一个统一环境下的SCC或SSRT结果，但这种路径天然弱化了“内外壁不同环境”对损伤机制分叉的影响。

在这篇论文的研究中，作者搭建了一个双回路高温高压流动水装置，让管内模拟一次侧水、管外模拟二次侧水，并在该环境梯度下对316不锈钢管进行SSRT。最终得到一个非常贴切工程实际的结果：内表面氧化更严重，但裂纹更浅且更密；外表面氧化较轻，但裂纹更深、呈典型IGSCC，并最终穿透导致泄漏终止试验。

试验装置和试样形式决定了这项工作能不能把问题说清。作者做的是“双回路SSRT”：管子两端焊接夹具后装到加载系统里，管内作为一次侧回路，管外（釜内）作为二次侧回路，二者同时循环高温高压水。为了让裂纹在管身金属区稳定起裂，作者在管中部用激光加工了一个盲孔缺口，用来制造局部应力集中，使裂纹尽量从同一类位置开始，而不是在焊缝或夹持端提前断裂。

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图1. 慢应变速率试验后带有夹具的管状试样照片（a），以及流动的高温高压水双回路慢应变速率试验系统的示意图（b）和照片（c）

装置建立后，作者把一次侧与二次侧的条件分开设置。一次侧在管内循环，水中加入硼酸和氢氧化锂，温度 350 ℃、压力 20.0 M_Pa、流量 15 L/min（对应管内流速约 1.4 m/s）；二次侧在釜内循环纯水，温度 290 ℃、压力 13.0 M_Pa、流量 5 L/min（釜体直径大，外侧流速相对可忽略）。两侧溶解氧和溶解氢都控制在 15 ppb 以下。试验先稳定水环境超过 24 h，再以 1.16×10^⁻⁷ s^⁻¹的应变率进行 SSRT，并在 237.5 h 时因为二次侧电导率出现突增而自动终止，作者解释这是裂纹已经贯穿管壁导致一次侧水泄漏到二次侧。

为了证明内外壁之间确实建立了温差梯度，作者在系统关键位置布置了热电偶，记录一次侧与二次侧进出口温度以及管外壁三点温度。数据显示一次侧温度从入口到出口下降约 20 ℃，二次侧温度从入口到出口上升约 100 ℃，而管外壁温度稳定在 298.5–301.5 ℃。作者据此推断管内流体温度在 330–350 ℃之间，从而内外壁之间至少存在 30 ℃ 的径向温差。

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图2. 温度监测曲线。热电偶位置如图1b所示

进入损伤分析前，作者先用 EBSD 给出材料的初始组织。316 管材是奥氏体等轴晶，有较多退火孪晶，整体没有明显织构；晶界按 CSL 模型分类后，Σ<29 的特殊晶界在高角度晶界中占 49.2%，其中 Σ3 占 44.9%。

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图3. 用于SSRT试验的316不锈钢管截面的EBSD初始组织。（a）晶界图：晶界按CSL模型的Σ值着色；（b）晶粒取向图：晶粒按反极图（IPF）着色；（c）晶粒尺寸分布；（d）晶界特征分布

SSRT 的整体力学曲线给出了一个宏观结果：试验在伸长率 8.62% 时终止，屈服强度（0.2%偏移）为 156 MPa，终止工程应力为 353 MPa；对比室温空气中的拉伸试验，在同等伸长率下屈服强度和应力更高。作者据此认为高温水环境下材料力学性能有明显劣化。

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图4. 在模拟压水堆冷却剂条件下，对316不锈钢管试样进行SSRT得到的工程应力—应变曲线

由于试样带有盲孔缺口，作者用有限元模拟去量化缺口引起的局部应力集中。在 8% 轴向应变时，盲孔侧壁和孔底是高应力区，等效应力一般超过 400 MPa，峰值为 428.7 MPa，明显高于非缺口区域约 350 MPa 的应力水平。作者据此认为缺口区更容易发生裂纹萌生并在早期扩展。

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图5. SSRT过程中在8%应变时，管状试样的有限元模拟应力分布。（a）整体模型应力云图；（b）盲孔表面应力分布（正视图）；（c）穿过盲孔中心的纵向截面应力分布；（d）穿过盲孔中心的横向截面应力分布

核心对比来自内外表面的形貌。作者用 SEM 分别观察了外表面和内表面，在缺口附近与远离缺口区域都取了代表位置。外表面在缺口周围可以看到多条沿晶裂纹，并伴随晶粒脱落，裂纹集中在盲孔侧壁和孔角位置，这与有限元计算得到的应力集中区一致；远离缺口区域也有沿晶开裂和晶粒损失，但程度较弱。内表面与外表面不同，可以观察到内表面整体氧化更均匀更严重，沿晶损伤分布更普遍，靠近缺口的裂纹更明显，但远离缺口的位置同样能看到沿晶退化。

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图6. SSRT后管试样的SEM图像。（a–d）为靠近预加工盲孔的外表面形貌，（e–f）为远离盲孔的外表面区域；（g–j）为与盲孔相对位置的内表面形貌，（k–l）为远离盲孔的内表面区域

为了解释内表面裂纹的特征，作者对一条远离盲孔的内表面裂纹做了 FIB 截面，并做了 EDS 线扫。截面显示裂纹沿晶界扩展深度约 6.3 μm，内表面氧化膜厚度约 0.66 μm；EDS 结果显示裂纹尖端附近氧化物中 Cr 明显贫化，而表面氧化膜（Line A）则表现为轻微 Cr 富集。作者还说明在其尺度下，裂纹尖端氧化物中的 Fe 和 Cr 都相对基体更低。

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图7. （a）SSRT后管试样内表面的SEM图像，显示一条典型裂纹；（b）该裂纹对应的FIB制备截面图；（c）沿（b）中标注的 A→A′、B→B′、C→C′ 路径获得的EDS线扫结果

只靠形貌很难把“内外差异”说成可量化结论，所以作者对裂纹深度做了统计。作者在管中部截面上分别统计外表面区域（Area O）与内表面区域（Area I）的全部裂纹穿透深度，并给出分布。结果显示外表面起裂数量更少，但平均穿透更深；定量上，外表面裂纹密度为 12.5 mm⁻¹、内表面为 28.3 mm⁻¹；外表面裂纹平均（最大）深度为 14.70（44.44）μm，内表面为 5.55（13.33）μm。这一结果表明了内表面裂纹更密但更浅，外表面裂纹更深。

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图9. 在模拟双回路高温水条件下进行SSRT时，管试样内表面与外表面的环境退化机理示意图

总结

外表面形成平均深度 14.70 μm 的沿晶裂纹并伴随局部晶粒脱落，按总试验时间估算平均裂纹生长速率约 1.72×10⁻⁸ mm/s；内表面形成更厚氧化层和更高密度的沿晶裂纹但没有晶粒脱落，平均裂纹深度为 5.55 μm，裂纹密度约为外表面的 2.3 倍；外表面（次级侧）主导损伤机制为 IGSCC，内表面（一级侧）主导损伤机制为 IGC，这种差异主要来自温度—压力梯度及其导致的温度与应力状态差别。这一结果说明同一根管子的内外表面可能对应两套不同的风险指标。外表面裂纹数量少但更深，和贯穿失效更直接相关；内表面裂纹更密但更浅，更像晶界网络普遍退化和多点起裂。用单一釜内环境去评估管材时，这种内外壁机制分叉容易被忽略，进而影响寿命评估与检验策略的选择。