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

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用慢應(yīng)變速率試驗評價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304不銹鋼管抗應(yīng)力腐蝕性能的影響，并通過掃描電鏡對材料斷口形貌進(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。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)揮過重要作用，由于熱力設(shè)備的腐蝕問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家更得到廣泛使用。因此有必要對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，為國內(nèi)核電廠二回路水化學(xué)設(shè)計提供基礎(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，評價該材料在上述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

 1. 試樣及試劑

 試驗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，斷后伸長率67.5%，斷面收縮率82.5%。試驗采用片狀拉伸試樣。試驗前，試樣經(jīng)砂紙（100～1000號）逐級打磨，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。試驗溶液模擬壓水堆核電站二回路水環(huán)境介質(zhì)，試驗溶液采用經(jīng)3級過濾的超純水（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），試驗溶液pH為9.65（25℃），溶解氧質(zhì)量濃度低于0.01mg/L，試驗溫度為260℃。

 2. 試驗方法

  慢應(yīng)變速率試驗在浙江至德鋼業(yè)有限公司生產(chǎn)的高溫高壓慢應(yīng)變速率腐蝕試驗機(jī)上完成，試樣夾具材料為哈氏合金C276。該試驗設(shè)備符合美國腐蝕工程師協(xié)會 NACETM-01-77-90 標(biāo)準(zhǔn)和美國材料試驗協(xié)會（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)先配好的試驗溶液沖洗高壓釜三次，向高壓釜中加入試驗溶液并裝載試樣，通入氮氣除氧，設(shè)定應(yīng)變速率、目標(biāo)溫度和預(yù)加載荷等試驗參數(shù)，并校正位移傳感器，升溫速率小于70℃/小時，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，試驗過程中實時記錄載荷、位移量等重要參數(shù)，直至試樣斷裂；試驗結(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）計算試樣的斷后伸長率和斷面收縮率。

二、結(jié)果與討論

 1. 形貌觀察

 拉伸試驗結(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，呈臺階狀。由圖可見：在氨工況中，斷口表面呈現(xiàn)臺階狀，臺階表面垂直于拉伸載荷方向且相對齊平，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”實際上是一些臺階，它們把不同的裂紋連接起來。形成臺階會消耗一定數(shù)量的額外能量，因此河流花樣會趨于合并，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為裂紋擴(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)性能評定

   SSRT結(jié)果的主要原理是材料發(fā)生SCC會導(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)。試樣在不同試驗環(huán)境中的SSRT結(jié)果見表。

  由圖和表可見：試樣在3種試驗環(huán)境中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的走勢一致，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)理通常是陽極型的，可用膜開裂理論來解釋，即具有保護(hù)功能的氧化膜在金屬表面形成之后，會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。在試驗過程中，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)力腐蝕敏感性無明顯差別，因此，從本試驗結(jié)果來看，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. 在本試驗條件下，304不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制屬于陽極溶解＋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)。