不锈钢行情

您的当前位置:网站首页 > 不锈钢行情 > 304不锈钢在核电站二回路水环境中的应力腐蚀开裂行为

304不锈钢在核电站二回路水环境中的应力腐蚀开裂行为

来源:至德钢业 日期:2018-12-15 19:49:28 人气:159

采用慢应变速率试验评价了在模拟压水堆核电站二回路中,氨、乙醇胺、氨+乙醇胺三种pH调节剂对304不锈钢抗应力腐蚀性能的影响,并通过扫描电镜对材料断口形貌进行观察。结果表明:304L不锈钢在三种模拟溶液中具有应力腐蚀敏感性,且应力腐蚀敏感性相当。

不锈钢材料具有优越的力学性能和较强的耐蚀性,在核电厂应用非常广泛。然而,不锈钢材料在高浓度碱性溶液或者高温低浓度碱性溶液中仍然会发生应力腐蚀开裂(SCC),因此其在高温碱性溶液中的SCC行为一直是研究重点。目前,大量的研究主要集中于不锈钢材料在高温强碱溶液中的SCC行为,而有关核用不锈钢材料在压水堆核电站典型二回路水化学环境中的SCC行为差异性的研究却鲜见报道。在压水堆核电站发展史上,协调磷酸盐水工况、氨-联氨水工况、吗啉(Morpholine,MPH)水工况等都在二回路水工况调节中发挥过重要作用,由于热力设备的腐蚀问题一直得不到满意的解决,不断有新工艺、新方法涌现。目前,我国压水堆核电厂二回路水化学处理方式多采用联氨作为碱化剂的全挥发处理。由于氨的挥化发系数较大,水相中的氨含量明显偏少,pH明显偏低,易引起各种腐蚀。而乙醇胺具有低挥发性、强碱性、低热分解率等特性,可以弥补氨的不足,现在世界上已有60%以上核电厂应用乙醇胺代替氨作为碱化剂调节给水pH,乙醇胺在美日韩等国家更得到广泛使用。因此有必要对不锈钢材料在二回路不同碱化剂中的应力腐蚀开裂行为差异进行研究,为国内核电厂二回路水化学设计提供基础数据。本工作模拟压水堆二回路水化学环境,着重研究在高温高压条件下304不锈钢在氨、乙醇胺和复合碱化剂(氨+乙醇胺)3种典型碱化剂中的SCC性能,评价该材料在上述3种典型二回路环境中的抗应力腐蚀性能差异。

1试验

1.1试样及试剂

试验材料采用压水堆核电站高压传热管材料304不锈钢,其化学成分为:wC0.04%,wSi0.29%,wMn1.92%,wP0.020%,wS0.0048%,wCr17.73%,wNi9.30%,余量为Fe。其力学性能为:抗拉强度580MPa,屈服强度258MPa,断后伸长率67.5%,断面收缩率82.5%。试验采用片状拉伸试样,见图1。试验前,试样经砂纸(100~1000号)逐级打磨,抛光后用超声波清洗仪加丙酮清洗干净,再用去离子水冲洗后吹干密封待用。试验溶液模拟压水堆核电站二回路水环境介质,试验溶液采用经3级过滤的超纯水(25℃电导率为0.35mS/m)调配,分别模拟氨工况(含2.9mg/L氨)、乙醇胺工况(含6.6mg/L乙醇胺)和氨+乙醇胺工况(两种碱化剂质量浓度均为2.0mg/L),试验溶液pH为9.65(25℃),溶解氧质量浓度低于0.01mg/L,试验温度为260℃。

1.2试验方法

慢应变速率试验(SSRT)在美国CORTEST公司生产的高温高压慢应变速率腐蚀试验机上完成,试样夹具材料为哈氏合金C276。该试验设备符合美国腐蚀工程师协会NACETM-01-77-90标准和美国材料试验协会(ASTM)相关标准。一些典型的合金/环境体系的临界应变速率范围为10-5~10-7s-1,参考GB/T15970.7-2000标准,不锈钢在纯水、氯化物溶液中初始速率建议为10-6s-1,故本试验选取应变速率为1×10-6s-1。

首先,采用超纯水冲洗高压釜,再用预先配好的试验溶液冲洗高压釜三次,向高压釜中加入试验溶液并装载试样,通入N2除氧,设定应变速率、目标温度和预加载荷等试验参数,并校正位移传感器,升温速率小于70℃/h,温度、压力达到预设值后观察30min;然后,开始加载进行拉伸试验,试验过程中实时记录载荷、位移量等重要参数,直至试样断裂;试验结束后,取下试样,采用去离子水冲洗数次后吹干。采用扫描电子显微镜(SEM)观察试样的表面及断口形貌;按照式(1)和式(2)计算试样的断后伸长率(A)和断面收缩率(ψ)。A=L-L0L0×100%(1)ψ=S0-SS×100%(2)式中:L0和L分别是试样拉伸前后的长度;S0和S分别是试样拉伸前后的截面积。

2结果与讨论

2.1形貌观察

拉伸试验结束后,采用扫描电镜观察试样的断口形貌,若断口表面均为韧窝微孔,认为断裂是韧性的机械断裂;若断口表面呈穿晶型或沿晶型断裂形貌,则认为断裂属于脆性断裂;若断口中心部分为韧窝微孔,而边缘出现穿晶型或沿晶型断裂形貌,则认为试样具有应力腐蚀敏感性[9]。由图2可见:试样在3种试验环境中的拉伸断口均在标距段,试样表面均呈深褐色,断口附近呈现肉眼可见的密密麻麻的龟裂状,这是在拉应力的作用下发生腐蚀形成的小裂纹,呈台阶状。由图3(a)和3(b)可见:在氨工况中,断口表面呈现台阶状,台阶表面垂直于拉伸载荷方向且相对齐平,断口颜色呈深棕色,断口中心区有少量孔洞,边缘区呈现出与水系网络相似的河流花样,所谓的“河流”实际上是一些台阶,它们把不同的裂纹连接起来。形成台阶会消耗一定数量的额外能量,因此河流花样会趋于合并,河流花样从支流汇合成主流,河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致,逆流而上就能找到断裂起源。从图中的河流流向看出裂纹起裂于外表面。由图3(c)和3(d)可见:在乙醇胺工况中,断口中心区呈现韧窝形貌,边缘呈现典型的河流花样,河流倾向合并的方向为裂纹扩展方向,其反方向即为裂纹源。由图3(e)和3(f)可见:在氨+乙醇胺混合工况中,断口中心区呈现韧窝形貌、边缘呈现典型的河流花样,断口形貌与在乙醇胺工况中的类似。2.2力学性能评定

SSRT结果的主要原理是材料发生SCC会导致韧性指标明显下降。韧性指标下降越明显,表明试样的SCC敏感性越强。试样在不同试验环境中的SSRT结果见表1。

  由图4和表1可见:试样在3种试验环境中的应力-应变曲线的走势一致,都经历了弹性变形→屈服→塑性变形→达到抗拉强度→断裂过程。试样在氨工况中的最大抗拉强度略小于在乙醇胺工况和氨+乙醇胺混合工况中的,但差别很小。在乙醇胺工况中,试样断裂吸收能略小,但与氨工况和混合工况中的差别不大,这表明试样在3种试验环境中的断裂吸收能基本相等。试样在乙醇胺工况中的断后伸长率略低于在氨工况和混合工况中的,而试样在乙醇胺工况中的断面收缩率略大于在氨工况中的,综合比较各项力学指标,试样在3种环境中的力学性能差别不大,这表明试样在3种试验环境中的SCC敏感性几乎相等。由图5可见:304不锈钢在3种模拟二回路水环境中应力腐蚀敏感性相当。

2.3讨论

不锈钢材料在高温碱性溶液中的应力腐蚀开裂机理通常是阳极型的,可用Humble的膜开裂理论来解释,即具有保护功能的氧化膜在金属表面形成之后,会因Cr在碱性溶液中具有较高溶解度而减薄,使得氧化膜贫铬变脆,在拉应力作用下更容易破裂露出新鲜金属,促进微裂纹产生。

在碱性溶液中,由于溶液的腐蚀作用增强,同时在慢应变速率条件下溶液能够充分与裂纹内局部溶液进行传输交换,裂纹尖端溶液也有足够时间与裂纹尖端金属原子交互作用,使得裂纹尖端化学和电化学反应能够顺利进行。在试验过程中,溶液可以充分起到腐蚀作用,从而使试样表面裂纹增多,裂纹尖端局部应力集中,促进试样发生应力腐蚀开裂。试样断口为韧性断裂和脆性断裂混合模式,且试样在3种碱性剂环境中都具有应力腐蚀敏感性,且在3种碱性剂环境中的应力腐蚀敏感性无明显差别,因此,从本试验结果来看,304不锈钢在3种碱性剂中的应力腐蚀敏感性基本一致。

3结论

(1)在压水堆核电站典型二回路高温高压水化学环境中,试样经SSRT后,断口中心区呈现韧窝形貌,断口边缘区呈现河流花样,颈缩不明显,试样显现脆性断裂倾向,具有应力腐蚀开裂敏感性。

在本试验条件下,304不锈钢的应力腐蚀开裂机制属于阳极溶解+应力使晶界氧化膜破裂模式,经分析比较,试样在3种腐蚀环境中的强度和塑性损失不随环境的变化而变化,表明304L不锈钢在氨、乙醇胺和氨+乙醇胺混合环境中的应力腐蚀敏感性相当。

本文标签:

发表评论:

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。

北京 天津 河北 山西 内蒙 辽宁 吉林 黑龙江 上海 江苏 浙江 安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南 重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 台湾 香港 澳门