TP439不銹鋼在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕開裂行為

徐為民,詹 靜,張微嘯,李成濤,方可偉

(1. 中廣核工程有限公司,深圳 518124; 2. 蘇州熱工研究院 電站壽命管理技術(shù)中心,蘇州 215004)

?

核電設(shè)備材料防護(hù)

TP439不銹鋼在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕開裂行為

徐為民1,詹 靜1,張微嘯1,李成濤2,方可偉2

(1. 中廣核工程有限公司,深圳 518124; 2. 蘇州熱工研究院 電站壽命管理技術(shù)中心,蘇州 215004)

采用掃描電鏡、動電位極化曲線和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)研究了TP439不銹鋼的組織形貌及其在高溫高壓水中的應(yīng)力腐蝕開裂行為。結(jié)果表明：TP439不銹鋼的微觀組織為典型的鐵素體等軸晶粒，晶內(nèi)分布有一定數(shù)量的細(xì)小碳化物；3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液中,其腐蝕電位為-0.25 V(SCE,下同),點(diǎn)蝕電位約為0.18 V;三種溫度條件下鐵素體不銹鋼的慢應(yīng)變拉伸曲線相似，斷口形貌主要為韌性斷口;溫度對鐵素體不銹鋼在高溫高壓水中應(yīng)力腐蝕行為無明顯影響，TP439不銹鋼在此環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性較低。

鐵素體不銹鋼;高溫高壓水;應(yīng)力腐蝕開裂;斷口形貌

長期以來針對奧氏體不銹鋼的研究一直占據(jù)主導(dǎo)地位，而對鐵素體不銹鋼的研究卻起步較晚。與奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼具有成本低、導(dǎo)熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)[1]。國外核電機(jī)組中高壓加熱器已普遍采用TP439鐵素體不銹鋼，并且取得良好的運(yùn)行業(yè)績。高壓加熱器是汽輪發(fā)電機(jī)組中重要的輔機(jī)設(shè)備，性能和運(yùn)行可靠性將直接影響發(fā)電機(jī)組整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[2]。各種停運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，換熱器管泄漏在換熱器故障停運(yùn)中所占比重最大，而換熱管應(yīng)力腐蝕是造成管系泄漏最主要的原因。目前，有關(guān)鐵素體不銹鋼的組織及成形性能的研究較多，而對其力學(xué)行為等方面的研究則較少[3-4]。目前大多采用U型彎或恒載荷試驗(yàn)方法研究鐵素體不銹鋼的SCC存在試驗(yàn)周期長，且難以定量評定SCC敏感性的缺點(diǎn)[5-6]。因此，目前關(guān)于鐵素體不銹鋼SCC敏感性的研究報道較少。為了進(jìn)一步提高加熱器的使用壽命及可靠性，同時在鎳供應(yīng)相對緊張及鎳價高漲情況下，研究鐵素體不銹鋼的腐蝕性能具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本工作采用動電位極化研究TP439鐵素體不銹鋼在氯化鈉溶液中的陽極極化行為和點(diǎn)蝕敏感性，采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)研究其在高溫高壓水環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為，探討溫度對其應(yīng)力腐蝕行為的影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用TP439鐵素體不銹鋼成品管，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)wC0.014 3，wMn0.262，wP0.025 2，wS0.001 48，wSi0.179，wNi0.247，wCr17.84，wAl0.028 9,wN0.020 0,wTi0.278,wMo0.014 8,wCu0.079 4,余量為Fe。

采用線切割方法截取10 mm的TP439不銹鋼管段，對切割面進(jìn)行打磨拋光處理后，采用王水+丙三醇溶液進(jìn)行侵蝕，清洗干燥后用Axiovert 200 MAT金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織。

截取10 mm的TP439不銹鋼管，沿直徑方向剖開，取其一作為工作電極。背面點(diǎn)焊引出銅導(dǎo)線，露出1 cm×1 cm工作面，其余面用環(huán)氧樹脂包封。用SiC水砂紙逐級打磨工作面至2 000號，丙酮除油，去離子水清洗后吹干待用。動電位極化曲線由Solartron SI1287型電化學(xué)工作站測量完成。采用三電極體系，TP439不銹鋼管試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，文中所有電位均是相對于SCE。試驗(yàn)溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaCl溶液，溫度為25℃。將工作電極在溶液中靜置至自腐蝕電位穩(wěn)定后，以1 mV/s的掃描速率進(jìn)行動電位極化，電位掃描區(qū)間為-0.4～0.2 V。

SSRT試樣為片狀拉伸試樣，標(biāo)距部分長11.38 mm。拉伸試樣側(cè)面用水砂紙打磨至2 000號，用丙酮清洗干凈，再用超純水沖洗后吹干待用。試驗(yàn)溶液為除氧純水，試驗(yàn)溫度為150,200,250 ℃，試驗(yàn)設(shè)備為美國CORTEST高溫高壓慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用1×10-6s-1應(yīng)變速率。試樣拉斷后，將樣品從高壓釜中取出，利用掃描電鏡觀察試樣表面和斷口形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1顯微組織

由圖1可見，TP439不銹鋼試樣的微觀組織為典型的鐵素體等軸晶粒，晶界和晶粒內(nèi)部分布有一定量的組織析出物。析出物主要有氧化物、氮化物和碳化物。Ti為強(qiáng)碳、氮化物形成元素，這些元素與鋼中的C，N和O等發(fā)生作用，形成一系列析出相，會對鋼的耐腐蝕性能和力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響[7-9]。

2.2動電位極化

由圖2可見，TP439鐵素體不銹鋼在試驗(yàn)溶液中的自腐蝕電位約為-0.25 V，點(diǎn)蝕電位為0.18 V。腐蝕電流密度較小約為10-6A/cm2。TP439鐵素體不銹鋼在3.5% NaCl溶液中表現(xiàn)出自鈍化的腐蝕電化學(xué)行為，文獻(xiàn)[10-11]中的動電位極化曲線研究結(jié)果也表現(xiàn)出相同的特征。

2.3慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

斷面收縮率和最大抗拉強(qiáng)度是反應(yīng)材料力學(xué)性能變化較為靈敏的指標(biāo)，常用于評價材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。由圖3可見，試樣在不同溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相似的最大抗拉強(qiáng)度和最大應(yīng)變值。這表明，溫度對TP439不銹鋼在高純水環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕性能基本無影響。由曲線形狀來看，試樣的抗拉強(qiáng)度無明顯快速降低，表明TP439不銹鋼在試驗(yàn)條件下具有較低的應(yīng)力腐蝕敏感性，這與已有報道鐵素體不銹鋼抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性能良好相吻合[12-15]。

2.4表面形貌和能譜分析

由圖4和圖5可見,三種溫度下的拉伸試樣表面形貌基本相似，都表現(xiàn)出一定的流變特征，但150 ℃樣品表面還保留一些原始形貌，而200 ℃和250 ℃樣品原始表面形貌基本不可見，顯現(xiàn)出更多的滑移臺階形貌。這說明不同溫度條件下，鐵素體不銹鋼樣品表現(xiàn)出不同的表面變形能力，隨著溫度的升高，樣品表面的變形滑移系更容易開動，從而發(fā)生塑性變形。

2.5斷口形貌

由圖6可見,斷裂位置在樣品的中心部位，中心區(qū)韌窩較多，這表明試樣在連續(xù)的拉伸過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形[14-15]。由斷口特征可以看到試樣斷口由纖維區(qū)和剪切唇區(qū)組成，為明顯的頸縮韌性斷口。表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，這是由于樣品在拉伸過程中伴隨著高溫氧化，從而在表面生成氧化產(chǎn)物。三種溫度條件下所形成斷口中心的纖維區(qū)域都聚集大量的韌窩，在韌窩底部形成孔洞，多為等軸韌窩形貌。

200 ℃形成斷口的最終斷裂區(qū)域特征與150 ℃和250 ℃下形成的斷口有輕微差異，200 ℃樣品有部分沿晶斷裂的脆性特征，而另外兩種溫度樣品仍然為拉長的韌窩塑性斷裂特征。這與拉伸曲線存在一定的對應(yīng)關(guān)系，200 ℃樣品的抗拉強(qiáng)度最大，但在最后斷裂時，拉伸強(qiáng)度降低速率較快。

3　結(jié)論

(1) TP439不銹鋼組織為典型的鐵素體等軸晶，晶內(nèi)和晶界都分布一定數(shù)量的細(xì)小碳化物。

(2) TP439不銹鋼在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度隨電位增加而逐漸增大，在0.18 V附近電流密度急劇增大，達(dá)到點(diǎn)蝕擊穿電位。

(3) TP439不銹鋼在150 ℃、200 ℃、250 ℃的高溫高壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相同，抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高基本無變化。不同溫度條件下的拉伸斷口主要為韌性斷口，微觀形貌為不均勻的韌窩聚集，TP439不銹鋼在高溫高壓水中應(yīng)力腐蝕敏感性較低。

[1]CASHELL K A,BADDOO N R. Ferritic stainless steels instructural applications[J]. Thin-walled Structures,2014,83:169-181.

[2]劉爾靜. 鐵素體439焊管在給水加熱器中的應(yīng)用[J]. 電站輔機(jī)，2008,106(3)：26-29.

[3]趙振鐸，陳金胡，范光偉. 稀土型鐵素體不銹鋼430組織及韌性研究[J]. 中國稀土學(xué)報，2012，30(1)：97-101.

[4]QU H P,LANG Y P,CHEN H T,et al. The effect of precipitation on microstructure,mechanic properties and corrosion resistance of two UNS S44660 ferritic stainless steels[J]. Materials Science and Engineering:A,2012,534:436-445.

[5]GONZALEZ-RODRIGUEZ J G,BAHENA-MARTINEZ G,SALINAS-BRAVO V M. Effect of heat treatment on the stress corrosion cracking behaviour of 403 stainless steel in NaCl at 95 ℃[J]. Materials Letters,2000,43(4):208-214.

[6]SHU J,BI H Y,XIN L,et al. The effect of copper and

molybdenum on pitting corrosion and stress corrosioncracking behavior of ultra-pure ferritic stainless steels[J]. Corrosion Science,2012,57:89-98.

[7]NAGE D D,RAJA V S. Effect of nitrogen addition on the stress corrosion cracking behavior of 904 L stainless steel welds in 288 ℃ deaerated water[J]. Corrosion Science,2006,48(8):2317-2331.

[8]楊瑞成，孟威，舒俊，等. 鐵素體不銹鋼熱軋板材的拉伸行為和斷裂特征[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2008，34(6)：25-29.

[9]SUNG J H,KONG J H,YOO D K,et al. Phase changes of the AISI 430 ferritic stainless steels after high-temperature gas nitriding and tempering heat treatment[J]. Materials Science and Engineering:A,2008,489(1/2):38-43.

[10]WON-JIN B,KWI-SUB Y,CHAN-JIN P,et al. Comparison of influences of NaCl and CaCl2on the corrosion of 11% and 17% Cr ferritic stainless steels during cyclic corrosion test[J]. Corrosion Science,2010,52(3):734-739.

[11]SEUNG U L,JAE C A,DONG H K,et al. Influence of chloride and bromide anions on localized corrosion of 15% Cr ferritic stainless steel[J]. Materials Science and Engineering:A,2006,434(1/2):155-159.

[12]袁寶林，徐立華，戴如華，等. 用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法研究Cr18Mo2鐵素體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，1990,10(2):119-126.

[13]JE H,KIMURA A. Stress corrosion cracking susceptibility of oxide dispersion strengthened ferritic steel in supercritical pressurized water dissolved with different hydrogen and oxygen contents[J]. Corrosion Science,2014,78:193-199.

[14]VELASCO F,BAUTISTA A,GONZLEZ-CENTENO A. High-temperature oxidation and aqueous corrosion performance of ferritic,vacuum-sintered stainless steels prealloyed with Si[J]. Corrosion Science,2009,51(1):21-27.

[15]CHAN-JIN P,MYUNG-K A,HYUK-SANG K. The effect of copper and molybdenum on pitting corrosion and stress corrosion cracking behavior of ultra-pure ferritic stainless steels[J]. Corrosion Science,2012,57:89-98.

SCC Behavior of TP439 Stainless Steel in High Temperature and High Pressure Water

XU Wei-min1, ZHAN Jing1, ZHANG Wei-xiao1, LI Cheng-tao2, FANG Ke-wei2

(1. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China;2. Plant Life Management Research Center, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

The microstructure and stress corrosion cracking (SCC) behavior of TP439 ferrite stainless steel in high temperature and high pressure water were studied by scanning electron microscopy, potentiodynamic polarization curve, energy dispersive spectra and slow strain rate test (SSRT). The results showed that the microstructure of TP439 ferrite stainless steel presented ferritic grains and the particles of fine carbide were distributed; the potential of TP439 stainless steel in 3.5% NaCl was -0.25 V (SCE), and the pitting potential was 0.18 V(SCE). The stress vs strain curves of TP439 stainless steel at different temperatures were similar and their fracture morphology was ductile fracture. Temperature had no obvious effect on SCC and the TP439 stainless steel had the low susceptibility to SCC in high temperature and high pressure water.

ferritic stainless steel; high temperature and high pressure water; stress corrosion cracking; fracture morphology

10.11973/fsyfh-201609007

2016-08-02

國家自然科學(xué)基金(U1260201)。

李成濤(1980-),高級工程師,博士,從事核電金屬材料高溫高壓水應(yīng)力腐蝕行為研究，13814818289，lichengtao@cgnpc.com.cn

TG172

A

1005-748X(2016)09-0723-04