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案例：壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的晶間腐蝕

2021-08-20 10:50:06 作者：工業(yè)小南點(diǎn) 來源：工業(yè)小南點(diǎn) 分享至：

壓力容器晶間腐蝕失效案例

案例2.壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的晶間腐蝕

600合金良好的耐均勻腐蝕性能和耐Cl-誘發(fā)的SCC性能，用于壓水堆蒸汽發(fā)生器管材。國內(nèi)某壓水堆600合金的蒸汽發(fā)生器傳熱管在實(shí)際運(yùn)行過程中由于冷凝器泄漏、磷酸鹽水處理等原因使某些有害雜質(zhì)（如Cl-、OH-、Pb、PbO）進(jìn)入二次側(cè)回路并在蒸汽發(fā)生器管板縫隙處富集濃縮，造成傳熱管的晶間腐蝕（ IGA ）和晶間型SCC（ Pb-SCC和IGSCC ）。

為此研究人員通過模擬壓水堆二回路濃縮介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)選用在較高溫度下含鉛堿溶液中浸泡U-型彎曲試樣并進(jìn)行掃描電鏡（SEM）、能譜（EDX）和XRD分析測試，對國內(nèi)傳熱管的晶間腐蝕和晶間型SCC機(jī)理分析提供試驗(yàn)性數(shù)據(jù)。

01 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為進(jìn)口Φ19.05 mm×1.09 mm 退火態(tài)600合金管材，高溫退火溫度為1024℃，屈服強(qiáng)度272 MPa，抗拉強(qiáng)度 640MPa，延伸率49%；低溫退火溫度為927℃，屈服強(qiáng)度 374 MPa，抗拉強(qiáng)度726 MPa, 延伸率42%。

U型彎曲之前，在INSTRON 8562 實(shí)驗(yàn)機(jī)上以0.5 mm·s-1對試樣進(jìn)行35%冷拉預(yù)變形。然后放在高壓釜中進(jìn)行SCC試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為330℃，介質(zhì)為NaOH 10%（mass）加10g·L-1 PbO。試驗(yàn)時(shí)間為30d。浸泡實(shí)驗(yàn)完成后，將樣品清洗、鑲嵌和拋光，在光學(xué)顯微鏡下檢查裂紋，然后用AEM進(jìn)行形貌觀察和EDX分析。

02 SEM 觀察

從圖4- 31中可見，金相組織為典型的奧氏體組織，高溫退火態(tài)晶粒明顯比低溫軋制退火態(tài)晶粒大，圖4-31a。低溫退火態(tài)組織基體中有分散的碳化物以及沿晶界的少量顆粒，圖4-31b。

圖4-32為彎曲試樣浸泡30d后的頂端縱切截面形貌。可以看出，材料表現(xiàn)為較嚴(yán)重的晶間腐蝕，腐蝕深度達(dá)到2個(gè)～ 3個(gè)晶粒。圖4-33為低溫退火態(tài)試樣腐蝕試驗(yàn)后的截面形貌，最大晶間腐蝕（ IGA ）深度達(dá)到270μm，并有向沿晶SCC（ IGSCC）轉(zhuǎn)化的趨勢。

圖4-31 600合金12% H2CrO4浸蝕金相組織

圖4-32 高溫退火態(tài)晶間腐蝕

圖4-33 低溫退火態(tài)600合金腐蝕試驗(yàn)后的截面形貌

03 EDX分析

對腐蝕前的樣品進(jìn)行EDX分析，發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋中均含有Pb，沿圖4-34a沿斜向下方向（箭頭方向）線掃描后Pb的分布隨掃描點(diǎn)與起始點(diǎn)距離的變化曲線，結(jié)果鉛含量（峰值）與圖4- 34a紋處對應(yīng)，說明Pb在腐蝕晶間裂縫處有一定量的富集，圖4- 34b。

圖4-34 低溫退火600合金SCC試驗(yàn)后金相腐蝕前微觀形貌和能譜分析

04 討論

①退火溫度對600合金SCC行為的影響。高、低溫退火對材料SCC的影響不明顯。試驗(yàn)表明在較高溫度下退火會使晶粒長大，碳化物全部溶解，但不能使晶界貧Cr區(qū)減小。軋制退火溫度為925℃時(shí)，U-彎曲試樣會發(fā)生最嚴(yán)重的開裂。因?yàn)椴捎玫脑囼?yàn)條件比高溫純水環(huán)境要苛刻得多，所以蒸汽發(fā)生器傳熱管在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的晶間腐蝕速率不會像模擬試驗(yàn)這樣快。

②冷拉預(yù)變形對600合金SCC行為的影響。35%的冷拉預(yù)變形所需要的名義應(yīng)力能達(dá)到660MPa左右，而其中產(chǎn)生彈性變形的名義應(yīng)力有300MPa，由此估算得到35%預(yù)拉伸產(chǎn)生的縱向殘余應(yīng)力為360MPa 左右，相當(dāng)于U-型彎曲時(shí)頂端縱向拉應(yīng)力的一半。對樣品SEM 的觀察表明，35%的預(yù)變形對SCC的影響不明顯。

③EDX 分析結(jié)果

分析結(jié)果表明晶間腐蝕裂縫中含Pb。327℃時(shí) PbO 的溶解度為0.013%，而本試驗(yàn)的氧化鉛濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)值。這說明了鉛更易促進(jìn)晶界鉻的溶解。高溫含鉛溶液中的電化學(xué)測試表明，鉛的存在使600合金的破裂電位降低，促進(jìn)其表面膜中貧Cr，同時(shí)大大增加了其陽極溶解電流密度。

高濃度的氧化鉛顯著地促進(jìn)了600 合金的IGA，而較嚴(yán)重的晶間腐蝕又使應(yīng)力得以釋放，最終沒有能形成明顯的SCC裂紋。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，二回路水環(huán)境是經(jīng)過全揮發(fā)（ AVT ）處理，此時(shí)氫的含量很低，所以600合金會發(fā)生晶間腐蝕及沿晶SCC（ IGSCC）。

05 結(jié)論

在含鉛的高溫堿溶液中，當(dāng)氫含量很高時(shí)，600合金表現(xiàn)為較嚴(yán)重的IGA，侵蝕晶界中有鉛的沉積。氫的產(chǎn)生和氧化鉛促進(jìn)600合金的選擇性溶解是IGA 發(fā)生的2個(gè)主要因素；冷拉預(yù)變形、退火溫度對材料SCC行為的影響不明顯。

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