李心剛１,郭 凱１,翟新年２,黃進財２

(１．大亞灣核電運營管理有限責任公司,深圳 ５１８０００;

２．中核深圳凱利核能服務有限公司,深圳 ５１８０００)

    摘 要:采用金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等對 Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴散管在蒸汽疏水環境下的疲勞斷口特征進行了研究.結果表明:與常見的疲勞裂紋常起源于外壁不同,在蒸汽疏水環境下的奧氏體不銹鋼擴散管的疲勞裂紋起源于內壁,裂紋源處存在明顯的氧化現象;裂紋附近的顯微組織中存在一定量的駐留滑移帶,疲勞條帶間距很窄,幾乎不存在瞬斷區,屬于高周疲勞.

    奧氏體不銹鋼因其優越的抗流動加速腐蝕性能和焊接性能,廣泛應用于核電廠及火電廠疏水系統的疏水閥下游通往凝汽器的管道和擴散器等金屬部件[１Ｇ６].雖然奧氏體不銹鋼的性能優越,但由于工作環境較為惡劣,疏水管道及管件開裂的現象仍時有發生[７Ｇ８].目前關于不銹鋼管件在蒸汽疏水環境下的失效行為研究主要集中在管系的二次應力問題上.電廠運行經驗表明,疲勞開裂也是蒸汽疏水系統疏水閥下游管件開裂的主要原因之一.間斷的高溫疏水流對金屬管件造成冷熱交替循環,尤其是當發生間斷性的閃蒸相變時易引發疲勞開裂[９Ｇ１２].關于奧氏體不銹鋼管件在蒸汽疏水環境下的疲勞開裂尚無深入研究,筆者以Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴散管為研究對象,對其典型疲勞斷口和裂紋進行了綜合分析,深入研究了其在蒸汽疏水環境下的疲勞開裂特征.

１ 試驗材料與試驗方法

１．１ 試驗材料

    Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴散管的化學成分如表１所示,其顯微組織形貌如圖１所示,可見其為典型的奧氏體并伴有孿晶.該不銹鋼擴散管的蒸汽疏水溫度為１４５ ℃,上游壓力為０．３５ MPa,下游為真空.

１．２ 試驗方法

    采用 TESCANVEGATS５１３６XM 掃描電子顯微鏡 (SEM)、EDAX GENESIS２０００XＧRay 能 譜 儀(EDS)進行微觀分析;采用ZEISSAXIOVERT２００MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡進行金相分析;

采用 PANalyticalX’PERTPRO 型 X 射線衍射儀(XRD)進行物相分析.

２ 試驗結果與討論

２．１ 斷口形貌

    圖２ 是 擴 散 管 兩 典 型 疲 勞 斷 口 裂 紋 源 區 的SEM 形貌.從圖２可以看出,裂紋起源于擴散管內表面而非通常疲勞起裂的外表面,裂紋萌生后呈發散性擴展.圖２a)為其中一個斷口的 SEM 形貌,可見該裂紋源區已被磨平,無法觀察到裂紋初始萌生時的具體形貌特征.圖２b)為另一個斷口的 SEM 形貌,可見裂紋源區存在一條過載線,這表明裂紋在萌生后并非一直擴展,在某個時期經歷環境突然變化時才繼續向前擴展.這應該與當疏水流過時材料發生相變,造成體積膨脹和管件內壁溫度變化有關.

    圖３為斷口裂紋擴展區的 SEM 形貌.從圖３可以看出,在裂紋擴展區有明顯的呈簇狀的疲勞條帶,在一個相對較大的范圍內會存在多簇不同方向的疲勞條帶,但大致方向均垂直于主裂紋擴展方向.

    從疲勞條帶的放大形貌可以看出,所有相鄰條帶之間的間距均不大于１μm,一般在數百納米左右.疲勞條帶的間距一般代表裂紋在一個循環周次的擴展距離,間距越大代表裂紋擴展速率越快,圖３中的疲勞條帶間距較小,呈典型高周疲勞特征.另外除裂紋源區外,幾乎都是擴展區,瞬斷區面積很小,幾乎未發現.這說明此環境下造成材料疲勞的應力很低,不存在裂紋擴展到最后階段發生過載斷裂的情況.需要說明的是,清洗前的斷口表面存在大量黑色顆粒狀氧化物,疲勞條帶被覆蓋,斷口在觀察前均用檸檬酸清洗１０ min,以去除斷口表面的氧化物.表２為未清洗斷口的 EDS分析結果,可見氧含量達到２０％(質量分數).圖４所示為斷口表面氧化層的 XRD譜,可以看出黑色顆粒狀氧化物為 Fe３O４.這說明在蒸汽疏水環境下由于高溫且氧含量很低,在較長的裂紋擴展時間內,因裂紋擴展而露出的新鮮不銹鋼表面與高溫低氧水發生化學反應,表面生成了黑色氧化物 Fe３O４.

２．２ 裂紋分析

圖５所示 為 未 完 全 斷 開 區 域 裂 紋 的 形 貌,從圖５可以 看 出,裂 紋 走 向 平 直,穿 晶 擴 展,無 二 次裂紋萌 生,這 些 裂 紋 長 度 較 大,即 將 貫 穿 整 個 管件.此外,在 開 裂 管 件 附 近 的 顯 微 組 織 中 發 現 大量駐留滑移 帶,這 些 滑 移 帶 的 形 成 應 歸 因 于 循 環的周期應力 反 復 加 載,導 致 奧 氏 體 不 銹 鋼 發 生 塑性變形,隨著 塑 性 變 形 的 反 復 累 加 最 終 形 成 滑 移

帶,如圖６所示.

２．３ 討論

    如前所述,該擴散管內流經１４５ ℃,０．３５MPa的疏水,下游為真空.當疏水間斷性流至擴散管時,會迅速降壓,發生閃蒸,液相變成氣相,相變造成體積迅速膨脹.閃蒸的發生會給擴散管內壁帶來局部沖擊.擴散管內流體為蒸汽和廢氣的混合疏水,其流量和溫度會隨機組功率和上游狀態的變化而變化.該變化是擴散管發生疲勞效應的因素,因此表現在材料上,

    引發的是內壁起裂而非通常的外壁起裂.一般情況下,金屬的疲勞破壞大致分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展和失穩斷裂３個階段疲勞

    裂紋萌生是整個過程最重要的階段,一般是由應力集中引起的,常見的裂紋萌生方式包括滑移帶開裂,晶界或孿晶界開裂,夾雜物、相界或第二相與基體的界面開裂.其中,滑移帶開裂是材料疲勞裂紋萌生最為常見的方式.滑移帶的形成一般需經歷３個過程:首先是由于材料塑性變形未發生回復,產生滑移線;隨著滑移線的不斷增多與積累,形成滑移帶;當加載周期不斷增多時,滑移帶會因位錯、層錯等微觀缺陷的逐漸積累而無法回復,并最終形成駐留滑移帶.駐留滑移帶在金屬表面或內部駐留下來,無法通過拋光等方法消除;相反地,一般的滑移帶能用機械拋光、電解腐蝕等方法消除.

    疲勞裂紋往往萌生于這些駐留滑移帶發生應力集中處,一旦駐留滑移帶在材料中大量形成,疲勞裂紋萌生的可能性將大大增加[１３Ｇ１５].在該開裂擴散管中,已開裂裂紋附近發現了大量的駐留滑移帶,這些滑移帶的形成就是裂紋潛在的裂紋源區,而已形成的裂紋應是滑移帶形成最為嚴重的區域.疲勞裂紋的擴展過程按裂紋擴展的形態可以分為兩個階段.裂紋擴展的第一階段在斷口上留下痕跡較少或不明顯,而第二階段往往在斷口上留下河流樣的平行帶狀花紋,即“疲勞條帶”,在疲勞斷口上可以通過比較相鄰疲勞條帶之間的間距來判斷裂紋擴展速度的大小,間距越大,裂紋擴展越快.該開裂擴散管斷口觀察到的疲勞條帶間距均不超過１μm,一般僅為數百納米,說明該擴散管的疲勞特征屬典型的高周疲勞.

３ 結論

    與常見的振動疲勞裂紋常起源于外壁不同,在蒸汽疏水環境下 Z６CNT１８Ｇ１０ 奧氏體不銹鋼擴散管的疲勞裂紋起源于內壁,斷口起源處存在明顯的氧化現象.裂紋附近的顯微組織中存在一定量的駐留滑移帶;疲勞條帶間距很窄,幾乎不存在瞬斷區,屬高周疲勞.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 2019年 > 5期 > pp.294）