奥氏体不锈钢（300系列不锈钢）因具有优良的耐蚀、耐热和力学性能，以及良好的加工性能，被广泛用作电力、石化、煤化工、造纸等行业主要设备和管道的结构材料。虽然不锈钢具有全面和优良的综合性能，但在实际工程应用中，以不锈钢材料制成的设备和管道仍广泛存在腐蚀失效问题，尤其是应力腐蚀破裂失效最为突出^〔1〕。

某电厂一台1 000 MW超超临界汽轮机启动后不久，中、低压缸导汽管2^#膨胀节（316L不锈钢材质）突然爆破致紧急停机。当时负荷约为500 MW，膨胀节处蒸汽温度约380 ℃，压力0.5 MPa。通过现场调查、实验室检测及对运行数据进行分析，最终确定应力腐蚀破裂是膨胀节爆破主要原因。

爆破部件为汽机中、低压缸连通管的2^#膨胀节，材质为316L不锈钢。膨胀节水平布置，其功能是将中压缸排汽导入低压缸，并提供启停、运行所需膨胀能力，避免拉应力过度。导汽管中共布置5个膨胀节，设计汽温430 ℃，压力1.3 MPa。膨胀节结构为圆形管道，伸缩功能由3个波纹管实现，见图1。

爆口位于2^#膨胀节的1^#波纹管最底部，爆口方向与膨胀节所受拉力方向垂直，见图2。

检查发现爆口内壁有白色沉积物，另2个波纹管底部也有白色沉积物。从爆口看，爆破始于波纹管底部，爆后向两边翻开，厚度未见明显减薄，爆破时有碎片飞出，宏观特征呈脆性。显微镜观察，爆口内壁有较密集裂纹，基本平行，与爆口方向一致。

波纹管材质为316L不锈钢。用数字合金分析仪分析材料合金成分，得到其含Cr 16.62%、Ni 11.02%、Mo 2.11%、Mn 1.22%，符合《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》（GB 13296—2013）要求。

分别在3个波纹管底部取样进行微观检查，发现其内壁凹凸不平，均有向基体扩展的沿晶裂纹，其中1^#波纹管底部裂纹分布较密集、相对较深，见图3。

分别从3个波纹管顶部（爆口对侧）取样进行检查，发现内壁平滑无裂纹。对波纹管底部和顶部基体组织进行检查，均为奥氏体，未见明显滑移线，晶界上未见析出物，显示材料组织正常。

分别取3个波纹管带有裂纹试样，对裂纹内元素组成进行能谱分析，结果见表1。

上述检查结果表明：3个波纹管材质、金相组织正常，底部均有裂纹，走向为从内壁沿晶向基体扩展。应力腐蚀过程中，若应力较大，裂纹呈沿晶+穿晶混合型扩展特征。若应力较小，裂纹为沿晶扩展。微观检查结果为沿晶裂纹，说明拉应力较小，腐蚀起主要作用。裂纹内均有含量较高的Na、Mg、Ca等元素，还发现Cl及O元素。由于爆口宏观形貌呈脆性破坏，裂纹内含Cl元素，而波纹管材质为奥氏体，再结合其承受拉应力情况，综合判断爆破符合应力腐蚀破裂的3个必要条件：特定腐蚀介质、拉应力、敏感材料^〔2〕。

检查发现1^#波纹管爆口附近底部有白色积盐，顶部积盐相对轻微，取底部白色积盐用体式镜观察，系白色盐状颗粒和细小棕色颗粒混合而成。成分分析见表2。

分析如下：

（1）腐蚀产物类。系波纹管合金元素的氧化物，包括Fe₂O₃、Cr₂O₃、NiO，说明合金受到腐蚀。

（2）其他污染类。包括CaO、MgO、Al₂O₃，说明可能有循环冷却水侵入水汽系统。CaO、MgO在能谱和积盐分析中均被检出，证实来源于水汽污染。

（3）积盐类。包括Na₂O、Cl、SO₃、SiO₂、P₂O₅。含量最高、对腐蚀起主要作用的是Na₂O和Cl，决定了应力腐蚀破裂机理。本次腐蚀开裂，腐蚀环境由积盐提供，结合应力腐蚀破裂机理、位置特点，以及积水水痕，可确定波纹管底部曾出现异常积水，其与应力、积盐、材质一起，构成了应力腐蚀破裂的充分必要条件。

停机3 d后，膨胀节拆下之前，仍有水滴从爆口不断滴出，水质澄清。取样分析，结果见表3。

分析如下：

（1）该水样含盐量远高于蒸汽正常凝结水，电导率高达2 450 μS/cm，是正常蒸汽的数百倍，且离子组成与表2积盐相似，说明凝结水中大量溶解了内壁积盐中的电解质。按正常停机程序，有关水汽应彻底隔离，对汽机干燥保护以防腐蚀。分析其结构和位置，应是蒸汽漏入后形成的凝结水滴。水滴从积盐上流过，溶解积盐形成浓盐溶液，构成腐蚀必要条件。

（2）水样pH达11.56，说明积盐含有强碱，可确定为NaOH。在NaOH存在下，不锈钢表面钝化，如果Cl^-等敏感阴离子大量存在，将破坏钝化膜的完整性，引起“小阳极大阴极”型电化学腐蚀，风险很大。

（3）该水样中，奥氏体不锈钢敏感的Cl^-为32.99 mg/L，比正常水汽高4个数量级，腐蚀风险极大。

（4）汽机停机后某一汽源未能有效隔离，蒸汽漏入膨胀节，冷凝水将膨胀节内壁的积盐溶解形成盐溶液，汇流到波纹管底部。机组再次启动时，波纹管底部的盐溶液快速蒸干，形成了很厚的积盐层。这也解释了波纹管顶部基本无积盐的原因。

该机组凝结水精处理系统配有4台混床，在之前的1 a时间里，凝汽器曾发生4次泄漏，每次精处理混床均未开启旁路。因此，混床在氢型运行阶段曾吸收、富集了大量离子。

由于该厂除盐水制水系统的反渗透膜发生严重污堵，致使除盐水供应紧张，精处理4台混床经常来不及再生，长时间铵型运行。在混床由氢型向铵型的转型阶段，形成“离子排代峰”，将氢型阶段吸收的大量离子集中释放，最终被蒸汽溶解携带进入汽轮机。在蒸汽做功、参数降低后，因溶解度下降析出在通流部分形成积盐^〔3-4〕。

该机组1 a前进行大修时，发现汽机明显积盐，其程度评价：高压转子、隔板叶片为三类；中压转子、隔板叶片二类；低压转子、隔板叶片二类。低压转子叶片积盐与本次检查所见1^#波纹管底部积盐外状类似，成分相似，数据比较见表4。

本机组用小汽机启动，小汽机启动时必须供汽封、抽真空，导致从供汽封和抽真空到主机冲转之间的时间较长，期间膨胀节内存在积水。主机冲转后，由于蒸汽流量增大，导汽管内温度迅速升高，膨胀节内积水蒸发。正常运行时膨胀节内无积水。

停机后由于导汽管保温效果差，抽真空进行锅炉保养时导汽管温度仅为60 ℃，停止抽真空并送汽封后，蒸汽迅速凝结，并贴壁向下流动，沿途溶解积盐，在波纹管底部形成高浓度盐水。膨胀节在机组运行—停机—启动过程中，可反复出现“积盐—蒸汽凝结—溶盐—积水—蒸干”现象，导致膨胀节底部大量积盐。波纹管结构上的死区特点，使积盐不可能逆向返回蒸汽中，形成“不可逆积盐陷阱”。

汽轮机积盐较为常见，但因积盐发生严重腐蚀并不常见，本案例腐蚀原因在于积盐的水相腐蚀机理。积盐腐蚀发生时，其中的腐蚀性阴离子必须由固体盐的晶格中溶解下来，成水合离子状态，才能在浓差和电位梯度的作用下，定向移动，迁移到金属表面，深入到金属裂纹内部；金属腐蚀后成为金属阳离子，也必须从金属晶格中溶解下来，成水合离子状态，在裂纹中向外迁移，形成和扩展裂纹，如此才能使腐蚀开裂发展到材料失效的程度。以上过程必须有水相存在，否则仅可能发生非常表浅的腐蚀。

（1）膨胀节爆破的原因是波纹管底部积盐和积水导致应力腐蚀破裂（SCC）。SCC是敏感金属材料在某些特定腐蚀介质中，由于腐蚀介质和拉应力的协同作用而发生的脆性断裂。发生SCC需同时具备3个基本条件，即敏感金属材料、特定腐蚀介质和足够的拉应力^〔5〕。

（2）波纹管底部有大量积盐，主要成分是NaOH，此外还含有部分Cl^-。积盐的形成机理与凝结水混床长期铵型运行及凝汽器曾发生泄漏密切相关。

（3）膨胀节的材质为奥氏体钢，对Cl^-敏感，极易在Cl^-环境和拉应力共同作用下发生SCC，最终导致膨胀节失效。

（1）直流炉机组的凝结水混床必须坚持氢型运行，禁止铵型运行，尽可能提高除盐能力，保证出水水质优良。建议精处理混床出水水质控制如下：氢电导率（25 ℃）≤0.08 μS/cm，Na⁺≤0.5 μg/L，Cl^-≤0.5 μg/L，SO₄^2-≤0.5 μg/L，SiO₂≤2 μg/L，Fe≤1 μg/L，Cu≤1 μg/L^〔6〕。

（2）加强在线化学仪表的维护校准，确保水汽监督数据准确。许多电厂貌似水汽品质合格率很高，但腐蚀、结垢、积盐问题却相当突出，一个重要原因是在线化学仪表测量不准确，不能及时发现水汽品质劣化，导致化学监督与控制出现偏差。电厂应按照《发电厂在线化学仪表检验规程》（DL/T 677—2009）做好在线化学仪表的维护、校准工作^〔7〕。

（3）切实加强对机组水汽品质的监督管理。当水汽质量发生劣化时严格按照《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T 12145—2016）的规定执行“三级处理”，避免蒸汽溶解携带盐分离子进入汽机。

（4）可采用带压放水的方式进行锅炉停机保养，或对锅炉本体抽真空保养方式进行优化；优化启动方式，缩短冷态供汽封和抽真空时间；改善导汽管保温，减少膨胀节底部积水的形成。

（5）制造厂应进一步研究汽机运行中可能出现的各种外部环境，对膨胀节的材质、设计进行优化，提高对机组运行的适应性。必要时，可加装膨胀节疏水管。