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不銹鋼材料

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304不銹鋼管在核電站二回路水環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂行為

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-10-27 08:52:43 人氣:1181

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)評(píng)價(jià)了在模擬壓水堆核電站二回路中,氨、乙醇胺、氨+乙醇胺三種pH調(diào)節(jié)劑對(duì)304不銹鋼管抗應(yīng)力腐蝕性能的影響,并通過(guò)掃描電鏡對(duì)材料斷口形貌進(jìn)行觀察。結(jié)果表明:304L不銹鋼在三種模擬溶液中具有應(yīng)力腐蝕敏感性,且應(yīng)力腐蝕敏感性相當(dāng)。


 不銹鋼材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能和較強(qiáng)的耐蝕性,在核電廠應(yīng)用非常廣泛。然而,不銹鋼材料在高濃度堿性溶液或者高溫低濃度堿性溶液中仍然會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,因此其在高溫堿性溶液中的SCC行為一直是研究重點(diǎn)。目前,大量的研究主要集中于不銹鋼材料在高溫強(qiáng)堿溶液中的SCC行為,而有關(guān)核用不銹鋼材料在壓水堆核電站典型二回路水化學(xué)環(huán)境中的SCC行為差異性的研究卻鮮見報(bào)道。在壓水堆核電站發(fā)展史上,協(xié)調(diào)磷酸鹽水工況、氨-聯(lián)氨水工況、水工況等都在二回路水工況調(diào)節(jié)中發(fā)揮過(guò)重要作用,由于熱力設(shè)備的腐蝕問(wèn)題一直得不到滿意的解決,不斷有新工藝、新方法涌現(xiàn)。目前,我國(guó)壓水堆核電廠二回路水化學(xué)處理方式多采用聯(lián)氨作為堿化劑的全揮發(fā)處理。由于氨的揮化發(fā)系數(shù)較大,水相中的氨含量明顯偏少,pH明顯偏低,易引起各種腐蝕。而乙醇胺具有低揮發(fā)性、強(qiáng)堿性、低熱分解率等特性,可以彌補(bǔ)氨的不足,現(xiàn)在世界上已有60%以上核電廠應(yīng)用乙醇胺代替氨作為堿化劑調(diào)節(jié)給水pH,乙醇胺在美日韓等國(guó)家更得到廣泛使用。因此有必要對(duì)不銹鋼材料在二回路不同堿化劑中的應(yīng)力腐蝕開裂行為差異進(jìn)行研究,為國(guó)內(nèi)核電廠二回路水化學(xué)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本工作模擬壓水堆二回路水化學(xué)環(huán)境,著重研究在高溫高壓條件下304不銹鋼管在氨、乙醇胺和復(fù)合堿化劑(氨+乙醇胺)3種典型堿化劑中的SCC性能,評(píng)價(jià)該材料在上述3種典型二回路環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能差異。


一、試驗(yàn)


 1. 試樣及試劑


 試驗(yàn)材料采用壓水堆核電站高壓傳熱管材料304不銹鋼管,其化學(xué)成分為:碳:0.04%、硅:0.29%、錳:1.92%、磷:0.020%、硫:0.0048%、鉻:17.73%、鎳:9.30% 余量為鐵。其力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度580MPa,屈服強(qiáng)度258MPa,斷后伸長(zhǎng)率67.5%,斷面收縮率82.5%。試驗(yàn)采用片狀拉伸試樣。試驗(yàn)前,試樣經(jīng)砂紙(100~1000號(hào))逐級(jí)打磨,拋光后用超聲波清洗儀加丙酮清洗干凈,再用去離子水沖洗后吹干密封待用。試驗(yàn)溶液模擬壓水堆核電站二回路水環(huán)境介質(zhì),試驗(yàn)溶液采用經(jīng)3級(jí)過(guò)濾的超純水(25℃電導(dǎo)率為 0.35ms/m)調(diào)配,分別模擬氨工況(含2.9mg/L 氨)、乙醇胺工況(含6.6mg/L 乙醇胺)和氨+乙醇胺工況(兩種堿化劑質(zhì)量濃度均為2.0mg/L),試驗(yàn)溶液pH為9.65(25℃),溶解氧質(zhì)量濃度低于0.01mg/L,試驗(yàn)溫度為260℃。


 2. 試驗(yàn)方法


  慢應(yīng)變速率試驗(yàn)在浙江至德鋼業(yè)有限公司生產(chǎn)的高溫高壓慢應(yīng)變速率腐蝕試驗(yàn)機(jī)上完成,試樣夾具材料為哈氏合金C276。該試驗(yàn)設(shè)備符合美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì) NACETM-01-77-90 標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。一些典型的合金/環(huán)境體系的臨界應(yīng)變速率范圍為10-5~10-7s-1,參考 GB/T 15970.7-2000標(biāo)準(zhǔn),不銹鋼在純水、氯化物溶液中初始速率建議為 10-6s-1,故本試驗(yàn)選取應(yīng)變速率為1*10-6s-1。


  首先,采用超純水沖洗高壓釜,再用預(yù)先配好的試驗(yàn)溶液沖洗高壓釜三次,向高壓釜中加入試驗(yàn)溶液并裝載試樣,通入氮?dú)獬酰O(shè)定應(yīng)變速率、目標(biāo)溫度和預(yù)加載荷等試驗(yàn)參數(shù),并校正位移傳感器,升溫速率小于70℃/小時(shí),溫度、壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值后觀察30分鐘;然后,開始加載進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄載荷、位移量等重要參數(shù),直至試樣斷裂;試驗(yàn)結(jié)束后,取下試樣,采用去離子水沖洗數(shù)次后吹干。采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面及斷口形貌;按照式(1)和式(2)計(jì)算試樣的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。


二、結(jié)果與討論


 1. 形貌觀察


 拉伸試驗(yàn)結(jié)束后,采用掃描電鏡觀察試樣的斷口形貌,若斷口表面均為韌窩微孔,認(rèn)為斷裂是韌性的機(jī)械斷裂;若斷口表面呈穿晶型或沿晶型斷裂形貌,則認(rèn)為斷裂屬于脆性斷裂;若斷口中心部分為韌窩微孔,而邊緣出現(xiàn)穿晶型或沿晶型斷裂形貌,則認(rèn)為試樣具有應(yīng)力腐蝕敏感性。由圖可見:試樣在3種試驗(yàn)環(huán)境中的拉伸斷口均在標(biāo)距段,試樣表面均呈深褐色,斷口附近呈現(xiàn)肉眼可見的密密麻麻的龜裂狀,這是在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生腐蝕形成的小裂紋,呈臺(tái)階狀。由圖可見:在氨工況中,斷口表面呈現(xiàn)臺(tái)階狀,臺(tái)階表面垂直于拉伸載荷方向且相對(duì)齊平,斷口顏色呈深棕色,斷口中心區(qū)有少量孔洞,邊緣區(qū)呈現(xiàn)出與水系網(wǎng)絡(luò)相似的河流花樣,所謂的“河流”實(shí)際上是一些臺(tái)階,它們把不同的裂紋連接起來(lái)。形成臺(tái)階會(huì)消耗一定數(shù)量的額外能量,因此河流花樣會(huì)趨于合并,河流花樣從支流匯合成主流,河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)展方向一致,逆流而上就能找到斷裂起源。從圖中的河流流向看出裂紋起裂于外表面。由圖可見:在乙醇胺工況中,斷口中心區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌,邊緣呈現(xiàn)典型的河流花樣,河流傾向合并的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向,其反方向即為裂紋源。由圖可見:在氨+乙醇胺混合工況中,斷口中心區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌、邊緣呈現(xiàn)典型的河流花樣,斷口形貌與在乙醇胺工況中的類似。


 2. 力學(xué)性能評(píng)定


   SSRT結(jié)果的主要原理是材料發(fā)生SCC會(huì)導(dǎo)致韌性指標(biāo)明顯下降。韌性指標(biāo)下降越明顯,表明試樣的SCC敏感性越強(qiáng)。試樣在不同試驗(yàn)環(huán)境中的SSRT結(jié)果見表。


  由圖和表可見:試樣在3種試驗(yàn)環(huán)境中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢(shì)一致,都經(jīng)歷了彈性變形→屈服→塑性變形→達(dá)到抗拉強(qiáng)度→斷裂過(guò)程。試樣在氨工況中的最大抗拉強(qiáng)度略小于在乙醇胺工況和氨+乙醇胺混合工況中的,但差別很小。在乙醇胺工況中,試樣斷裂吸收能略小,但與氨工況和混合工況中的差別不大,這表明試樣在3種試驗(yàn)環(huán)境中的斷裂吸收能基本相等。試樣在乙醇胺工況中的斷后伸長(zhǎng)率略低于在氨工況和混合工況中的,而試樣在乙醇胺工況中的斷面收縮率略大于在氨工況中的,綜合比較各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo),試樣在3種環(huán)境中的力學(xué)性能差別不大,這表明試樣在3種試驗(yàn)環(huán)境中的SCC敏感性幾乎相等。由圖可見:304不銹鋼管在3種模擬二回路水環(huán)境中應(yīng)力腐蝕敏感性相當(dāng)。


 3. 討論


 不銹鋼材料在高溫堿性溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理通常是陽(yáng)極型的,可用膜開裂理論來(lái)解釋,即具有保護(hù)功能的氧化膜在金屬表面形成之后,會(huì)因鉻在堿性溶液中具有較高溶解度而減薄,使得氧化膜貧鉻變脆,在拉應(yīng)力作用下更容易破裂露出新鮮金屬,促進(jìn)微裂紋產(chǎn)生。


 在堿性溶液中,由于溶液的腐蝕作用增強(qiáng),同時(shí)在慢應(yīng)變速率條件下溶液能夠充分與裂紋內(nèi)局部溶液進(jìn)行傳輸交換,裂紋尖端溶液也有足夠時(shí)間與裂紋尖端金屬原子交互作用,使得裂紋尖端化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中,溶液可以充分起到腐蝕作用,從而使試樣表面裂紋增多,裂紋尖端局部應(yīng)力集中,促進(jìn)試樣發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。試樣斷口為韌性斷裂和脆性斷裂混合模式,且試樣在3種堿性劑環(huán)境中都具有應(yīng)力腐蝕敏感性,且在3種堿性劑環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性無(wú)明顯差別,因此,從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,304不銹鋼管在3種堿性劑中的應(yīng)力腐蝕敏感性基本一致。


三、結(jié)論


  1. 在壓水堆核電站典型二回路高溫高壓水化學(xué)環(huán)境中,試樣經(jīng)SSRT后,斷口中心區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌,斷口邊緣區(qū)呈現(xiàn)河流花樣,頸縮不明顯,試樣顯現(xiàn)脆性斷裂傾向,具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。


  2. 在本試驗(yàn)條件下,304不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制屬于陽(yáng)極溶解+應(yīng)力使晶界氧化膜破裂模式,經(jīng)分析比較,試樣在3種腐蝕環(huán)境中的強(qiáng)度和塑性損失不隨環(huán)境的變化而變化,表明304L不銹鋼管在氨、乙醇胺和氨+乙醇胺混合環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性相當(dāng)。


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本文標(biāo)簽:304不銹鋼管 

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