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(shí)際生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配過(guò)程中，金屬表面常常會(huì)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(wèn)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(kāi)裂（SCC）的風(fēng)險(xiǎn)，潛在影響著核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，理清表面劃傷的變形行為、破壞機(jī)制及其對(duì)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(kāi)啟了對(duì)表面劃傷問(wèn)題研究的先河。

至今，劃傷測(cè)試還廣泛應(yīng)用于金屬、高分子材料及涂層等領(lǐng)域以評(píng)估材料的硬度、耐劃傷性能、涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)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(guò)程，如壓痕光刻技術(shù)使用不同形狀的金剛石壓頭并通過(guò)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(guò)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(yùn)動(dòng)并使基體表面產(chǎn)生機(jī)械變形的過(guò)程。在表面劃傷過(guò)程中，材料的變形機(jī)制主要包括彈塑性變形、材料斷裂和碎屑分離。

劃傷過(guò)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(guò)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(huì)影響劃傷過(guò)程及基材的損傷特征。實(shí)際工程中的劃傷，也因劃傷來(lái)源不同，對(duì)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(shí)，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(píng)估涂層與基材結(jié)合力的劃傷試驗(yàn)中，涂層分離的驅(qū)動(dòng)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(shí)所施加的法向載荷稱(chēng)為臨界載荷，涂層對(duì)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(huì)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(diǎn)。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(guò)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(dòng)汽輪機(jī)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(zhǎng)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(kāi)裂（SCC）問(wèn)題是威脅壓水堆核電站安全運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中均出現(xiàn)了嚴(yán)重的SCC。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們不斷開(kāi)發(fā)出各種傳熱管材料。1992年，加拿大B＆W公司Millstone 2號(hào)反應(yīng)堆開(kāi)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(wú)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，形成侵蝕性極強(qiáng)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(shì)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(guò)程。此外，在壓水堆核電站運(yùn)行過(guò)程中添加的藥劑也使得雜質(zhì)離子種類(lèi)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(huì)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(jià)S，如HS-、H2S、S4O62-和S2O32-等。

可見(jiàn)，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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(gè)典型案例如下：

01 1992年McGuire2號(hào)堆的蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生了泄漏事故。

對(duì)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(guó)Duke公司于1973年4 月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的Oconee核電站的1號(hào)、2號(hào)反應(yīng)堆曾發(fā)生過(guò)蒸汽發(fā)生器傳熱管的SCC。

工作人員經(jīng)過(guò)檢查，取出了7根問(wèn)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(kuò)展，且其裂紋擴(kuò)展最深部已到達(dá)了管壁約47%厚度處。對(duì)多根管段進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明裂紋大都沿合金管制造和組裝過(guò)程中所形成的不同程度表面劃傷凹槽部位擴(kuò)展。對(duì)傳熱管進(jìn)行爆破測(cè)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(duì)傳熱管服役過(guò)程中的SCC抗力有著極大的影響，理清其損傷機(jī)制，科學(xué)地評(píng)估各種條件下表面劃傷對(duì)SCC抗力的影響，對(duì)于核電站的安全運(yùn)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(lái)就不存在SCC開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)大大加深，故需要通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估。此外，長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)期服役的690合金依然面臨SCC風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)等核電發(fā)達(dá)國(guó)家都積極開(kāi)展了核電站延壽工作，其中已有部分延壽至60年以上，我國(guó)也處于核電延壽工作評(píng)估流程、標(biāo)準(zhǔn)建立的重要時(shí)期，故研究傳熱管劃傷的影響，具有現(xiàn)實(shí)意義。

傳熱管表面劃傷的來(lái)源

在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸及安裝這三個(gè)環(huán)節(jié)，蒸汽發(fā)生器傳熱管都可能會(huì)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(huì)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(shí)的增強(qiáng)及諸如役前渦流檢測(cè)等質(zhì)量檢測(cè)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(wèn)題的可能性已經(jīng)越來(lái)越低。

#在傳熱管的運(yùn)輸環(huán)節(jié)

因管材搬運(yùn)、長(zhǎng)途運(yùn)輸、封裝、吊運(yùn)過(guò)程中的疏忽和防范意識(shí)缺失，可能會(huì)在傳熱管表面造成劃傷缺陷。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到保護(hù)傳熱管表面狀態(tài)的重要性，加強(qiáng)了運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)管材表面的保護(hù)，故在傳熱管運(yùn)輸環(huán)節(jié)出現(xiàn)表面劃傷問(wèn)題的可能性也越來(lái)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(huì)產(chǎn)生接觸式的線(xiàn)性相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，避免出現(xiàn)傳熱縫隙，減小傳熱管與管板間發(fā)生微動(dòng)磨損和縫隙腐蝕的可能，在核電站設(shè)計(jì)與安裝時(shí)，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(guò)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(huì)在傳熱管內(nèi)部形成金屬屑，帶有這類(lèi)問(wèn)題的芯軸插入傳熱管脹接區(qū)時(shí)，與傳熱管內(nèi)表面間產(chǎn)生摩擦，會(huì)對(duì)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(duì)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(yàn)分析與研究，得到以下結(jié)論：

表面劃傷會(huì)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(huì)對(duì)傳熱管近表面造成微觀(guān)結(jié)構(gòu)梯度改變，通常會(huì)促進(jìn)高溫高壓水中傳熱管表面的SCC裂紋萌生和擴(kuò)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(huì)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(huì)發(fā)生硬化和應(yīng)力集中，同時(shí)伴隨產(chǎn)生大量的空位和位錯(cuò)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(huì)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(kuò)散加快，優(yōu)先發(fā)生氧化，加速腐蝕發(fā)生和SCC裂紋的擴(kuò)展。

材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)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(guān)結(jié)構(gòu)梯度變化將對(duì)傳熱管SCC抗力產(chǎn)生影響。劃傷過(guò)程中產(chǎn)生的滑移帶、機(jī)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(kuò)展。

此外，因劃傷帶來(lái)的幾何形貌改變，表面劃傷凹槽底部在SCC測(cè)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(shí)，局部應(yīng)力逐漸超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)形成機(jī)械裂紋。在外界載荷不斷增加的條件下，這類(lèi)機(jī)械裂紋不斷張開(kāi)，始終無(wú)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(shí)，機(jī)械裂紋不再擴(kuò)展，若該機(jī)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(huì)趨于穿晶擴(kuò)展；若該裂紋終止于晶界附近，即使在恒載作用下，裂紋也會(huì)發(fā)生沿晶擴(kuò)展。

傳熱管表面劃傷的修復(fù)措施

在工程上，對(duì)于傳熱管表面劃傷位置，常用的處理方法是對(duì)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(duì)于較深的劃傷凹槽，由于不能對(duì)傳熱管進(jìn)行過(guò)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(shí)劃傷區(qū)下方仍保持著局部變形。表面的打磨再處理會(huì)對(duì)劃傷凹槽附近的周?chē)植拷M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(guò)試驗(yàn)研究對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，表面劃傷問(wèn)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(gè)重要因素?；谝延械难芯浚源嬖谝恍┴酱鉀Q的問(wèn)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(guò)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(gè)變形階段，取得了一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。然而劃傷是一個(gè)多種變形形式復(fù)合的過(guò)程，影響因素多而復(fù)雜?，F(xiàn)階段對(duì)于表面劃傷變形模型、損傷機(jī)理的研究，一方面多采用有限元模擬方法而缺少試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證。

2對(duì)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(duì)劃傷影響區(qū)進(jìn)行較為系統(tǒng)的微觀(guān)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(jiǎn)化。在今后的研究中，需要對(duì)不同變形參數(shù)下劃傷影響區(qū)產(chǎn)生的微觀(guān)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(duì)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(duì)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(guān)結(jié)構(gòu)組織角度進(jìn)行描述。增強(qiáng)對(duì)金屬表面劃傷的變形行為和損傷特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

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(lái)的微觀(guān)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(jī)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(guān)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(guān)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(qiáng)等條件都會(huì)影響腐蝕過(guò)程。由此，針對(duì)以上影響因素分別開(kāi)展腐蝕測(cè)試試驗(yàn)，嚴(yán)格控制變量，以此衡量不同影響因素對(duì)SCC的貢獻(xiàn)，建立多因素耦合的數(shù)值評(píng)估模型，闡明帶有表面劃傷的金屬材料的SCC機(jī)制，具有重要的科學(xué)意義。

4表面劃傷問(wèn)題影響著蒸汽發(fā)生器傳熱管服役性能和核電站安全運(yùn)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(chǎng)的劃傷因其來(lái)源和尺寸紛繁復(fù)雜，例如，對(duì)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(lèi)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(duì)傳熱管各類(lèi)表面劃傷程度展開(kāi)系統(tǒng)調(diào)研，建立不同類(lèi)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(guó)際范圍內(nèi)沒(méi)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(duì)不同尺寸的劃傷進(jìn)行高溫高壓水環(huán)境腐蝕試驗(yàn)。另一方面，針對(duì)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(duì)修復(fù)工藝進(jìn)行有效評(píng)估，從而為蒸汽發(fā)生器的制造提供指導(dǎo)意見(jiàn)，同樣具有重要的工程意義。