摘 要:對國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器690TT 合金 U 形管彎管區(qū)進行壁厚測量、金相檢驗、晶間腐蝕、應力 腐蝕、殘余應力測試等試驗,并與直管區(qū)的性能進行對比。結(jié)果表明:國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器690TT 合金 U 形管彎管區(qū)外側(cè)壁厚減薄最大為7.8%,彎管區(qū)的顯微組織、晶粒大小及晶間腐蝕速率均與直管 區(qū)相當。彎管后彎管區(qū)內(nèi)側(cè)表面殘余應力為拉應力,外側(cè)表面殘余應力為壓應力,消應力熱處理后 彎管區(qū)殘余應力絕對值減小,不易發(fā)生應力腐蝕。采用彎管及消應力熱處理可以使國產(chǎn)690TT 合 金 U 形管彎管區(qū)的各項性能滿足使用要求。

關(guān)鍵詞:690TT 合金;U 形管;彎管區(qū);殘余應力;晶間腐蝕

中圖分類號:TG133.4 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0013-05

蒸汽發(fā) 生 器 傳 熱 管 是 反 應 堆 一、二 回 路 的 邊 界,其性能的 優(yōu) 劣 對 反 應 堆 安 全 運 行 具 有 重 要 意 義。為提高 蒸 汽 發(fā) 生 器 的 導 熱 性 能,其 傳 熱 管 壁 一般較薄,是 整 個 一 回 路 壓 力 邊 界 中 最 薄 弱 的 部 分[1-3]。傳熱管 失 效 破 裂 可 能 導 致 放 射 性 物 質(zhì) 泄 漏,因此傳熱管的選材至關(guān)重要。目前,壓水堆核 電站自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器傳熱管材料普遍選用 690TT合金。

690TT合金傳熱管經(jīng)軋制成直管后,其為時效熱 處理(TT)態(tài),需要冷彎成 U 形管,彎管過程會導致彎 管區(qū)外側(cè)壁厚減薄;另外,由于彎管過程中傳熱管各 部位的塑性變形不均勻,因此彎管后傳熱管上會有殘 余應力,尤其是小彎曲半徑 U 形管(R≤10d,R 為 U 形管半徑,d 為傳熱管外徑),其變形更大,殘余應力 也更大,彎管區(qū)的殘余應力會增加傳熱管的應力腐蝕 開裂(SCC)傾向;此外,小彎曲半徑 U 形管的消應力 熱處理工藝可能使彎管區(qū)的顯微組織發(fā)生變化[4]。 因此,690TT合金 U 形管的彎管及消應力熱處理易 使傳熱管彎管區(qū)在運行期間發(fā)生腐蝕失效。蒸汽發(fā)生器傳熱管在運行期間的檢查結(jié)果也表明:某些小彎 曲半 徑 U 形 管 彎 管 區(qū) 存 在 缺 陷[5]。為 此,國 產(chǎn) 690TT合金 U 形管彎管區(qū)的性能測定對傳熱管的設(shè) 計、工程應用以及反應堆的安全運行都具有重要意 義。筆者對國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器690TT合金 U 形管彎管 區(qū)進行壁厚測量、金相檢驗、晶間腐蝕、應力腐蝕、殘 余應力測試等試驗,并與直管區(qū)的性能進行對比。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用國產(chǎn)690TT 合金 U 形管,其化學成 分如表1所示。試樣狀態(tài)為時效熱處理態(tài)彎管區(qū)、 消應力熱處理態(tài)彎管區(qū),R1型彎管半徑為60mm, R2型彎管半徑為70mm。時效熱處理為在真空狀 態(tài)下加熱至(725±10)℃,保溫10h。除保溫時間至少為2h外,消應力熱處理的其他要求與時效熱 處理的要求相同。

1.2 試驗方法

采用超聲測厚儀測量彎管區(qū)外側(cè)的壁厚。按照 ASTM E112—2013《測定平均晶粒度的標準試驗 方 法 》 和 ASTM E45—2018 Standard Test MethodsforDeterminingtheInclusionContentof Steel對試樣進行金相檢驗。按照 ASTM A262— 2015《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標準規(guī) 程》中的 C法對試樣進行晶間腐蝕試驗。按照 GB/ T17898—1999《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應力 腐蝕試驗方法》對試樣進行應力腐蝕試驗,試驗時間 為90d。殘余應力測定按照 GB/T7704—2017《無 損檢測 X射線應力測定方法》要求執(zhí)行,采用 X 射 線衍射(XRD)法檢測[6-7]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壁厚測量

對 R1,R2型 U 形管的時效熱處理態(tài)彎管區(qū)、 消應力熱處理態(tài)彎管區(qū)的外側(cè)進行了壁厚測量,測 點分別為彎管區(qū)的0°,45°,90°,135°,180°方向,壁厚 減薄量的測量結(jié)果如表2所示。由表2可知:彎管 后傳熱管彎管區(qū)的壁厚減薄量較小,約為3.5%~ 7.8%,經(jīng)消應力熱處理后,彎管區(qū)的壁厚減薄量幾 乎無變化。考慮到彎管半徑已經(jīng)相當小,說明國產(chǎn) 690TT 合金 U 形管的彎管工藝可以有效控制彎管 區(qū)的壁厚減薄量,并使其保持在較低水平。

2.2 金相檢驗

690TT 合金 U 形管彎管后,需對小彎曲半徑 U 形管進行消應力熱處理,熱處理可能使材料的顯微 組織發(fā)生變化[8]。對 R1,R2型 U 形管時效熱處理 態(tài)和消 應 力 熱 處 理 態(tài) 彎 管 區(qū) 的 中 心 處 (90°)以 及 直管區(qū)取樣進行金相檢驗,結(jié)果如表3,4和圖1,2所示。由表3可知:R1,R2型 U 型管的彎管區(qū)和直 管區(qū)非金屬夾雜物含量均較低,消應力熱處理前后 非金屬夾雜物含量變化較小。由表4可知:R1,R2 型 U 型管的彎管區(qū)和直管區(qū)晶粒度大小相當,消應 力熱處理前后晶粒度幾乎無變化。由圖1,2可知: 消應力熱處理前后,U 形管同一區(qū)域(彎管區(qū)和直 管區(qū))所取試樣的顯微組織、晶粒大小無明顯差別。 說明彎管及消應力熱處理未改變690TT 合金傳熱 管的顯微組織。

2.3 晶間腐蝕試驗

彎管消應力熱處理溫度與時效熱處理溫度相 同,消應力熱處理可能導致690TT 合金碳化物的重 新分布,使材料的耐晶間腐蝕性能發(fā)生改變[9]。因 此,對時效熱處理態(tài)和消應力熱處理態(tài) U 形管的彎 曲區(qū)的中心區(qū)域(90°)以及直管區(qū)取樣進行晶間腐 蝕試驗。試驗按照標準 ASTM 262-2015中的 C 法執(zhí)行,試驗時間為240h,每48h對試樣進行稱 重,并計算腐蝕速率,試驗結(jié)果如表5所示。由表5 可知:消應力前后 U 形管各部位的晶間腐蝕速率無 明顯變化,彎管區(qū)和直管區(qū)的晶間腐蝕速率相當,平 均晶間腐蝕速率均滿足壓水堆核電站對蒸汽發(fā)生器 690TT 合 金 傳 熱 管 的 晶 間 腐 蝕 速 率 要 求 (≤20mg/dm 2·d)。因此,國產(chǎn)690TT 合金傳熱管 的彎管及消應力熱處理有效保障了傳熱管彎管區(qū)的 耐晶間腐蝕性能,且彎管區(qū)和直管區(qū)的耐晶間腐蝕 性能相當。

2.4 應力腐蝕試驗

690TT 合金 U 形管彎管后彎管區(qū)會有殘余應 力,尤其是小彎曲半徑的 U 形管,殘余應力更大,使 其彎管區(qū)的應力腐蝕傾向增大。對時效熱處理態(tài)和 消應力熱處理態(tài) U 形管的彎曲區(qū)的中心處(90°)以 及直管區(qū)取樣,按照 GB/T17898—1999標準要求, 試驗溫度為(143±1)℃,腐蝕溶液為42%(質(zhì)量分 數(shù))的沸騰氯化鎂溶液,試驗時間為90d,每7d取 樣觀察一次,并更換腐蝕溶液。腐蝕后的試樣宏觀 形貌如圖3所示,由圖3可以看出:試樣未發(fā)現(xiàn)應力腐蝕宏 觀 裂 紋,說 明 經(jīng) 彎 管 和 消 應 力 熱 處 理 后, 690TT 合金 U 形管彎管區(qū)無明顯應力腐蝕傾向。

2.5 殘余應力測試

為確定 U 形管消應力前后的殘余應力分布情 況,對 U 形管彎管區(qū)在消應力前后分別取樣,依據(jù) 標準 GB/T7704—2017 ,采用 XRD 法測試 B,C, D,E,F 5 個 截 面 處 和 直 管 區(qū) 距 起 彎 點 (B)約 100mm 的 A 點截面處的殘余應力,每個截面檢測 1,2,3,4點處的殘余應力,1,3點為彎管兩側(cè)外圓 面,2,4點分別為外凸和內(nèi)凹外圓面(見圖4)。

R1,R2型 U 形管殘余應力測試結(jié)果如圖5,6 所示,由圖5,6可知:彎管及消應力熱處理后,U 形 管彎管區(qū)(B,C,D,E,F 處)的表面殘余應力絕對值 均大于直管區(qū)(A 處);消應力熱處理后,彎管區(qū)殘余 應力絕對值呈下降趨勢,消應力熱處理工藝效果良 好。彎管后,傳熱管彎管區(qū)內(nèi)圈、兩側(cè)外圓面的軸向 及環(huán)向表面殘余應力均為拉應力,拉應力是誘導傳 熱管發(fā)生應力腐蝕的因素之一,其中傳熱管彎管區(qū) 內(nèi)側(cè)的軸向及環(huán)向表面殘余應力最大;消應力后,彎 管區(qū)內(nèi)圈、兩側(cè)外圓面的軸向及環(huán)向表面殘余應力 變小,但仍為拉應力,且彎管區(qū)內(nèi)側(cè)表面殘余應力仍 為最大,說明彎管區(qū)內(nèi)側(cè)更易發(fā)生應力腐蝕。彎管 后,傳熱管彎管區(qū)外圈的軸向及環(huán)向表面殘余應力 均為壓應力,減小了傳熱管發(fā)生應力腐蝕的風險;消 應力后,彎管區(qū)軸向及環(huán)向表面殘余應力仍均為負 值,但應力變小,且分布更為均勻。RCC-M-2000 《壓 水 堆 核 島 機 械 設(shè) 備 設(shè) 計 和 建 造 規(guī) 則 》中 的 MC1362章節(jié)規(guī)定,引起奧氏體不銹鋼管材發(fā)生應 力腐蝕的殘余應力為大于150MPa [10]。經(jīng)消應力 熱 處 理 后,傳 熱 管 彎 管 區(qū) 的 殘 余 應 力 均 小 于 150MPa,且690TT 合金的耐腐蝕性能優(yōu)于奧氏體 不銹鋼,說明國產(chǎn)690TT 合金 U 形管的彎管及消 應力熱處理工藝有效降低了殘余應力絕對值,減小 了彎管區(qū)發(fā)生應力腐蝕失效的風險。

3 結(jié)論

(1)對彎管半徑為60mm 和70mm 的國產(chǎn)蒸 汽發(fā)生器690TT 合金 U 形管彎管區(qū)進行了一系列 性能測定,發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)690TT 合金 U 形管的彎管及 消應力熱處理工藝可以保障彎管區(qū)的各項性能滿足 使用要求。

(2)彎管后,690TT 合金 U 形管彎管區(qū)外側(cè) 壁厚減薄量較小,約為3.5%~7.8%;消應力熱處理 后,彎管區(qū)的壁厚減薄量幾乎無變化。

(3)彎管消應力后,690TT 合金 U 形管的彎管 區(qū) 和 直 管 區(qū) 顯 微 組 織 基 本 相 同,晶 粒 度 均 為 6~7級,消應力熱處理前后晶粒度幾乎無變化。消 應力熱處理前后傳熱管的晶間腐蝕速率也無明顯變 化,彎管區(qū)和直管區(qū)的晶間腐蝕速率均滿足壓水堆 核電站對蒸汽發(fā)生器690TT 合金傳熱管的晶間腐 蝕速率要求。

(4)彎管后,彎管區(qū)內(nèi)側(cè)表面殘余應力為拉應力, 外側(cè)表面殘余應力為壓應力;消應力后,彎管區(qū)殘余應 力絕對值減小,應力腐蝕傾向較小。其中,彎管區(qū)內(nèi)側(cè) 的拉應力最大,說明彎管區(qū)內(nèi)側(cè)更易發(fā)生應力腐蝕。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>7期(pp:13-17)>