核電蒸汽發(fā)生器傳熱管材料的應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀

徐勇

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

核電蒸汽發(fā)生器傳熱管材料的應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀

徐勇

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

蒸汽發(fā)生器（SG）是核電站的一個(gè)重要設(shè)備，而傳熱管又是制約SG使用的關(guān)鍵因素。目前使用的傳熱管材料有690TT合金、800Mod合金等，應(yīng)力腐蝕是其最主要的失效方式。從應(yīng)力腐蝕的機(jī)制、材料的制作及使用環(huán)境等方面綜述SG傳熱管材料的應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀，并指出未來的發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)構(gòu)材料；蒸汽發(fā)生器；傳熱管；應(yīng)力腐蝕

作為一種清潔能源，核電近年來受到了應(yīng)有的重視，發(fā)展?jié)摿薮?。根?jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國運(yùn)行核電裝機(jī)容量將達(dá)5 800萬千瓦，截至2016-12-31，這一數(shù)字為3 364萬千瓦。在大規(guī)模發(fā)展核電的同時(shí)，提升核電安全性與經(jīng)濟(jì)性也成為我們面臨的重大議題。SG連接一、二回路，其傳熱管承受著一回路冷卻劑的高溫高壓、一二回路的壓差以及復(fù)雜的應(yīng)力，工作環(huán)境惡劣。而一旦到了材料的耐受極限，就會(huì)發(fā)生破損，不僅電站不能繼續(xù)運(yùn)行從而影響經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)因?yàn)橐换芈贩派湫晕镔|(zhì)向二回路泄漏而引發(fā)安全性問題。傳熱管的破損失效是各種腐蝕綜合作用造成的，其中，60%是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕[1]。國內(nèi)外針690TT合金和800Mod合金等的應(yīng)力腐蝕已經(jīng)做了大量的研究[2]，本文從應(yīng)力腐蝕的機(jī)制、材料的制作以及工作環(huán)境等方面綜述SG傳熱管的應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀，并指出未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 應(yīng)力腐蝕的機(jī)制

應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）指由環(huán)境和應(yīng)力共同作用產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而形成裂紋造成材料脆性斷裂。一般認(rèn)為，它有陽極溶解和氫致開裂2種，亦或是二者共同作用。

陽極溶解：在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下材料表面的氧化膜破裂，基體材料裸露，與氧化膜未破裂部分分別形成微電池的陽極和陰極，陽極溶解進(jìn)一步加劇材料的腐蝕。

氫致開裂：在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下陰極產(chǎn)生的氫原子或環(huán)境中的氫原子擴(kuò)散到材料內(nèi)部，從而引起材料脆性斷裂。

SCC經(jīng)歷3個(gè)階段：孕育期、裂紋擴(kuò)展期和失穩(wěn)斷裂期，時(shí)間從數(shù)分鐘到數(shù)年，甚至更長。

2 材料制作的影響

2.1 材料成分的影響

690TT合金的主要成分包括C、Mn、Si、P、S、Cr、Ni、Mo、fe、N、Al、Ti、Cu 等元素，其中，Ni、Cr、Fe為主要元素，Ni約59%，Cr約30%，F(xiàn)e約10%，其余元素約1%.800Mod合金則是一種鐵基合金，含有較多的Ni、Cr和少量的Si、Mn、Al、T。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，提高M(jìn)n、Ni、Cr等元素含量有助于減少材料應(yīng)力腐蝕，而P、S等元素發(fā)生晶界偏析，在晶界與氫發(fā)生交互作用，從而引發(fā)氫致斷裂。Mn元素則能加速P、S的晶界偏析。因此，冶煉時(shí)要減少P、S、Mn等元素的含量。當(dāng)前，690TT和800Mod合金的成分控制已經(jīng)通過ASME及RCC-M等國際標(biāo)準(zhǔn)加以固化。

2.2 熱處理的影響

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻等過程來獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬加工工藝，其處理方法有正火、退火、固溶熱處理、實(shí)效、淬火、回火、調(diào)制處理等。在材料化學(xué)成分固定以后，熱處理顯著影響材料的微觀結(jié)構(gòu)。晶界處的Cr容易與C結(jié)合，形成Cr23C6而析出，造成晶界的Cr含量減少形成貧鉻區(qū)，貧鉻區(qū)往往優(yōu)先發(fā)生腐蝕。適當(dāng)?shù)臒崽幚砟芴岣呔Ы绲腃r含量，從而提升材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。不同熱處理過程導(dǎo)致碳化物析出形態(tài)和晶粒尺寸存在很大區(qū)別。

2.3 冷加工的影響

冷加工會(huì)引起材料內(nèi)部的位錯(cuò)向晶界偏移進(jìn)而堆積，造成材料額外的內(nèi)應(yīng)力。而這種內(nèi)應(yīng)力在后續(xù)的處理過程中不一定能得到消除，由于應(yīng)力正是應(yīng)力腐蝕的條件之一，因此會(huì)加速裂紋的形成和沿晶界的擴(kuò)展。研究表明，當(dāng)冷加工引發(fā)的形變量達(dá)到一定程度時(shí)，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)變得比較均勻，這時(shí)沿晶開裂和穿晶開裂同時(shí)發(fā)生，反而降低裂紋擴(kuò)展速率。

3 工作環(huán)境的影響

盡管690TT合金和800Mod合金抗應(yīng)力腐蝕性能比較強(qiáng)，至今未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂事故，但是在某些特殊環(huán)境下，仍不能排除這種可能。在一回路高溫高壓的環(huán)境下，鎳基合金會(huì)產(chǎn)生氧化膜。在腐蝕初期，氧化膜的生長速率受到限制，導(dǎo)致此階段腐蝕速率較大，隨著腐蝕的進(jìn)行，更多的Fe、Cr、Ni離子暴露出來，這些離子往外擴(kuò)散，與O發(fā)生反應(yīng)生成一層Fe、Cr、Ni的氧化物，從而阻止合金基體與O接觸，使腐蝕速率下降，并朝停止的方向發(fā)展，由此使得材料表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)力腐蝕的低敏感度。

3.1 pH值的影響

不同的pH值環(huán)境會(huì)對(duì)690TT合金、800Mod合金的應(yīng)力腐蝕造成影響。在弱酸和弱堿性環(huán)境中，材料具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感度，而且隨著酸性的增強(qiáng)，敏感度變高。在偏中性環(huán)境中，敏感度較低。

3.2 Pb的影響

Pb會(huì)加速材料的應(yīng)力腐蝕。這主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，Pb會(huì)破壞表明氧化膜，造成Cr的溶解，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕斷裂；另一方面，當(dāng)晶界Cr以碳化物形式析出后，晶內(nèi)的Cr會(huì)往晶界移動(dòng)以補(bǔ)充，而Pb能抑制這種移動(dòng)，加劇局部貧鉻現(xiàn)象。

3.3 S的影響

S在核電一回路中會(huì)不可避免地存在。高價(jià)S并不會(huì)增強(qiáng)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，低價(jià)S在強(qiáng)堿性環(huán)境中會(huì)加重材料的應(yīng)力腐蝕斷裂，且會(huì)隨著pH值的升高變得更加強(qiáng)烈。

3.4 Cl的影響

一般來說，690TT、800Mod對(duì)Cl應(yīng)力腐蝕不敏感，但在pH較低的情況下可能發(fā)生氯致應(yīng)力腐蝕。

4 結(jié)論

690TT合金、800Mod合金作為主流的SG傳熱管材料，具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，到目前為止，該類材料尚未發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效事件。但是，由于該類材料使用年限并不長，而且國產(chǎn)化應(yīng)用尚屬初期，不排除將來在某些惡劣工況下發(fā)生此類事故的可能性。未來，在可能的條件應(yīng)進(jìn)一步探究應(yīng)力腐蝕的機(jī)理、材料的特殊加工工藝以及極端工況下的運(yùn)行情況，以便提高材料的性能，增強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕的能力。

［1］董毅，高志遠(yuǎn).我國核電事業(yè)的發(fā)展與Inconel 690合金的研制［J］.特鋼技術(shù)，2004，9（3）：45.

［2］Rebak R B，Szklarska-Smialowska，Z.Χia，et al.Effect of Solution Composition and Electrochemical Potential on Stress Corrosion Cracking of Χ-52 Pipeline Steels.Corro Sci，1996（38）：971.

［3］張紅斌，李守軍，胡堯和，等.國外關(guān)于蒸汽發(fā)生器傳熱管用Inconel 690合金的研究現(xiàn)狀［J］.特鋼技術(shù)，2003（4）：2.

TG174

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.070

2095－6835（2017）21－0070－02

徐勇（1987—），男，四川廣安人，本科，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)有職稱為助理工程師，研究方向?yàn)殡娏Α?/p>

〔編輯：劉曉芳〕