冷变形316不锈钢在高温水中的应力腐蚀开裂行为
杜东海;陆辉;陈凯;张乐福;石秀强;徐雪莲
【摘 要】对不同冷变形量的核级316和316L不锈钢在高温水中的应力腐蚀开裂(SCC)行为进行了研究。通过试验,对溶解氧、氯离子和温度对裂纹扩展速率的影响进行了深入探讨和分析。试验结果显示,溶解氧和氯离子能明显加快材料的应力腐蚀开裂速率。当水化学条件一致时,325℃时的裂纹扩展速率较288℃时的裂纹扩展速率高。%The stress corrosion cracking (SCC)behaviors of different deformations of cold-deformed nuclear grade 316SS and 316L SS in high temperature water were stud-ied.The effects of dissolved oxygen,Cl- and temperature on the crack growth rate were analyzed detailedly.Test results show that dissolved oxygen and Cl- can signifi-cantly increase the crack growth rate of the material.Moreover,the crack growth rates are faster at 325 ℃ than that at 288 ℃ when water chemical conditions are the same.
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】7页(P1977-1983)
【关键词】应力腐蚀开裂;冷变形;溶解氧
【作 者】杜东海;陆辉;陈凯;张乐福;石秀强;徐雪莲
【作者单位】上海交通大学 核材料腐蚀性能研究联合实验室，上海 200240;上海交通大学 核材料腐蚀性能研究联合实验室，上海 200240;上海交通大学 核材料腐蚀性能研究联合实验室，上海 200240;上海交通大学 核材料腐蚀性能研究联合实验室，上海 200240;上海市核电工程重点实验室，上海 200233;上海市核电工程重点实验室，上海 200233
【正文语种】中 文
【中图分类】TL341
Key words：stress corrosion cracking; cold deformation; dissolved oxygen
早期，材料的敏化是沸水堆(BWR)中结构材料老化失效的主要原因之一。但随着BWR采用通氢技术后，由敏化引起的材料老化失效数量越来越少
            [1-8]。而在核电厂内，由材料的冷变形及焊接收缩应变引起的材料断裂失效事件却越来越多。例如，BWR一回路中的再循环管道316L不锈钢的冷弯弯头、焊接接头和堆芯围板的焊接部分都出现了严重的应力腐蚀开裂(SCC)
            [9-12]。国外实验室的应力腐蚀实验研究数据表明，未敏化的奥氏体不锈钢304、304L、316、3016L、347在发生冷变形后有较高的应力腐蚀敏感性
            [13-14]。
       
另外，反应堆内存在大量的死管段和一些较小的密封区域。较高的温度梯度与极低的流速使得
            和O
            2在该区域内聚集，水化学环境相对恶劣，成为应力腐蚀的高发区域。Ilevbare
            [15]对全球核电厂内137个SCC失效事件的调查发现，从材料方面分析有53%的失效
事件与冷变形有关。从水化学方面分析，有83%的失效事件发生在水的低流动或封闭区域，这其中有37.2%的事件是由
            和溶解氧引起的。
       
因此，本文对反应堆内冷变形材料在正常水化学条件和偏离正常水化学条件下的裂纹扩展速率的研究，能为核电厂提供材料老化管理依据，对核电站的安全裕度和残余寿命评价，保障现役核电站安全运行有重要的现实意义。
1.1　材料
本试验使用的两个试样Y4、1023均为锻造后固溶处理的316不锈钢，材料成分列于表1。材料的具体种类为316不锈钢(316SS)和316低碳钢(316L SS)，两种材料都有整体的冷变形。316SS为核级一回路锻造成型辅助管道，试样取自弯头处(固溶处理后冷弯成形，图1a)，冷变形量约为10%。316L SS也是核级用材，于140 ℃下轧制，厚度减薄量为21%。两个试样的具体取样方式示于图1，机加工成厚度为0.5英寸(0.5T CT)的标准紧凑拉伸试样，试样编号
分别为Y4-316SS和1023-316L SS。试样两侧加工出深度为试样厚度5%的侧槽，以引导裂纹扩展。
1.2　试验条件
试样与加载销钉、夹具之间，信号线与不锈钢贯穿件之间分别使用高温陶瓷和聚四氟乙烯管进行绝缘隔离。试样上共焊接3对铂丝信号线，其中1对提供稳定的直流电，另外2对用于测量试样上的电压降信号。具体的试验方法、信号测量原理和注意事项参见文献[16]。
应力腐蚀试验过程中，动态循环的水回路(图2)保证回路内稳定的水化学环境。在线仪表监测回路内高压釜进出口的电导率以及进口处水(25 ℃)中的溶解氧。循环水的流动速率为6 L/h，即高压釜内的水更换速率为2次/h。试验中，纯水中进口水的电导率一直维持在0.06 μS/cm附近，出口水电导率会因水中溶解氧含量的不同而在0.08～0.15 μS/cm范围内变化。加入30 ppb Cl
            -溶液时进口水电导率维持在0.376 μS/cm，出口水电导率在0.43～0.67 μS/cm之间变化。釜内温度波动控制在±0.1 ℃内，压力波动控制在±0.15 MPa内。
       
1.3　试验步骤
在空气中疲劳，使用稍小于应力腐蚀试验使用的
            K(应力强度因子)值，半正弦波加载。在试样上预制出长度为0.5～1 mm的疲劳裂纹。预制裂纹结束后将试样转入高温高压的水环境中，使用梯形波进行疲劳裂纹的过渡，
            K值和应力腐蚀的值相同，频率依次降低为0.1、0.01、0.001 Hz。当频率降至0.001 Hz并维持相当长的一段时间后，开始在最大载荷时保持9 000 s。过渡完成后转换为静态的恒
            K加载方式，进行应力腐蚀试验。试验结束后，将试样在空气中以疲劳加载的方式拉开，使用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察试样的断口形貌。
       
2.1　裂纹扩展速率曲线
为研究Cl
            -在不同溶解氧条件下对裂纹扩展速率的影响，首先需得到材料在高纯H
            2(1.58 ppm)和2 ppm O
            2条件下的裂纹扩展速率。316SS的裂纹长度随时间的变化规律示于图3。试验之初得到，材料在含2 ppm O
            2的水中的裂纹扩展速率为6.09×10
            -7 mm/s(140～245 h)。通入高纯H
            2时，材料的裂纹扩展速率为3.41×10
            -8 mm/s(890～1 153 h)，当加入30 ppb Cl304跟316不锈钢有什么区别
            -后裂纹扩展速率小幅增加到8.41×10
            -8 mm/s。保持水中Cl
            -含量不变，改变水中溶解氧含量为2 ppm后，材料的裂纹扩展速率迅速上升到1.1×10
            -6 mm/s。保持水中Cl
            -含量不变，进行重复试验。裂纹长度变化曲线显示，相同条件下前后两个阶段的裂纹扩展速率几乎一致，说明试样裂纹扩展速率的重现性非常好。
       
为研究Cl
            -在不同溶解氧条件下对裂纹扩展速率的影响，通过重复试验得到材料分别在2 ppm O
            2和1.58 ppm H
            2条件下的裂纹扩展速率。试验结果显示，316L SS的裂纹长度随时间变化的曲线(图4a)和316SS的类似。通入H
            2后扩展速率降低，说明材料经H
            2除氧能缓解其应力腐蚀开裂。370 h后向回路中添加30 ppb的Cl
            -，改变水中的溶解氧含量，试验结果与不含Cl
            -时的变化规律一致。只是当水中含30 ppb Cl
            -时，裂纹扩展率明显高于对应溶解氧条件下的扩展速率。降低试验温度至288 ℃，重复325 ℃的试验，结果示于图4b。在相同溶解氧和Cl