核電站不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕行為

王宇欣,郭城湘,胡月飛,蔡 敏,高 宇,左景輝

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

在核電站中，不銹鋼覆面可加強(qiáng)水池、水箱等儲(chǔ)水設(shè)備的密封性，保證它們?cè)诟鞣N設(shè)計(jì)工況下不發(fā)生泄漏，從而為生物防護(hù)、冷卻和再循環(huán)等提供足夠的水源。從國(guó)內(nèi)外核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋來(lái)看，焊縫腐蝕導(dǎo)致水池不銹鋼覆面泄漏失效從而影響核電站運(yùn)行安全的案例時(shí)有發(fā)生[1-3]。國(guó)內(nèi)對(duì)不銹鋼覆面材料在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的腐蝕行為做過(guò)系統(tǒng)的研究[4-6]，但對(duì)其焊接接頭的腐蝕行為研究鮮有報(bào)道，特別是在應(yīng)力腐蝕方面。焊接接頭由于存在殘余應(yīng)力，往往是不銹鋼覆面的薄弱環(huán)節(jié)[7]。

傳統(tǒng)的核電站不銹鋼覆面材料為低碳奧氏體不銹鋼Z2CN18-10(304L)。美國(guó)西屋公司在AP1000核電站鋼覆面模塊設(shè)計(jì)中采用了S32101雙相不銹鋼，中核在其某三代核電項(xiàng)目中已將部分不銹鋼覆面材料變更為S32205雙相不銹鋼，后續(xù)項(xiàng)目中也將采用該不銹鋼。

本工作選取S30403、S32101和S32205不銹鋼的焊接接頭為研究對(duì)象，通過(guò)恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、恒變形應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、慢應(yīng)變速率試驗(yàn)等，對(duì)其在硼酸溶液中的應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用3種不銹鋼S30403、S32101和S32205的V型坡口板，尺寸150 mm×1 200 mm×10 mm，以對(duì)接形式焊接，共計(jì)8個(gè)焊接接頭試樣，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不銹鋼焊接接頭的焊接工藝參數(shù)

首先按照NB/T 20003-2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)該批試件進(jìn)行了目視、液體滲透、射線等項(xiàng)目檢測(cè)，結(jié)果均為合格。截取試件進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)(橫向拉伸、面彎、背彎、夏比沖擊)、晶間腐蝕試驗(yàn)、鐵素體含量測(cè)定、金相檢驗(yàn)等破壞性檢驗(yàn)。按照NB/T 20002.3-2013《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備焊接規(guī)范 第3部分：焊接工藝評(píng)定》中圖5規(guī)定的位置取樣，試驗(yàn)方法和取樣方式參考NB/T 20004-2014《核電廠核島機(jī)械設(shè)備材料理化檢驗(yàn)方法》?；瘜W(xué)成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)均全部合格，部分力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能

從表2可以看出，不銹鋼焊接接頭S32101和S32205的強(qiáng)度高于S30403，S32101的低溫沖擊吸收能較低。

1.2 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

分別采用恒載荷法、恒變形法和慢應(yīng)變速率法對(duì)不銹鋼焊接接頭和母材進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。

恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)采用P1500型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。試驗(yàn)溶液為硼酸溶液，其中含2 500 mg/L硼酸、1 500 mg/L SO42-、15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cl-，pH為2.0。試驗(yàn)溫度為80 ℃，加載力分別為三種材料各自屈服強(qiáng)度的95%，試驗(yàn)直至試樣斷裂或720 h為止。

恒變形應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)條件與恒載荷試驗(yàn)相同。按照GB/T 15970.3-1995《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第3部分：U型彎曲試樣的制備和應(yīng)用》制備試樣，試樣尺寸為75 mm×15 mm×2 mm。

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)采用YL01-2型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸速率為10-6/s。試驗(yàn)介質(zhì)為含2 500 mg/L硼酸和1 500mg/L SO42-的硼酸溶液，介質(zhì)溫度分別為20，80 ℃，Cl-含量分別為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和0.06%，介質(zhì)的pH分別為2.0和5.0，介質(zhì)中溶解氧含量分別為除氧和飽和氧。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)720 h恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后，3種不銹鋼焊接接頭均未發(fā)生斷裂，在10倍放大鏡下，也未觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋。試樣只是發(fā)生了均勻腐蝕，表面有少量腐蝕產(chǎn)物，S32205不銹鋼焊接接頭的腐蝕尤其輕微，表面仍然光亮，如圖1所示。

圖1 恒載荷試驗(yàn)后不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌

2.2 恒變形應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)720 h恒變形應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后，3種不銹鋼焊接接頭均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，S32205試樣表面腐蝕最輕，S32101試樣表面次之，S30403試樣的U型彎曲處有明顯應(yīng)力腐蝕跡象，試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌，如圖2所示。

圖2 恒變形試驗(yàn)后不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌

2.3 慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

2.3.1 材料的影響

3種焊接接頭在不同試驗(yàn)條件下的慢應(yīng)變速率拉伸曲線見(jiàn)圖3，由慢應(yīng)變速率拉伸曲線得到相應(yīng)的參數(shù)，見(jiàn)表3。結(jié)果表明：3種焊接接頭的慢應(yīng)變速率拉伸曲線的變化趨勢(shì)基本相同。其中在3種介質(zhì)條件下S32205不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最高，均為710 MPa，斷后伸長(zhǎng)率居中；S30403不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最低，僅有510 MPa左右，但斷后伸長(zhǎng)率最大；S32101不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度居中，為640 MPa左右，斷后伸長(zhǎng)率最低。

表3 不銹鋼焊接接頭的慢應(yīng)變速率拉伸性能

(a) pH5, 0.06% Cl- (b) pH5, 15% Cl- (c) pH2, 15% Cl-

由此可見(jiàn)，在3種典型試驗(yàn)條件下，3種不銹鋼焊接接頭耐應(yīng)力腐蝕性能的優(yōu)劣順序?yàn)镾32205>S32101>S30403。

圖4比較了3種不銹鋼焊接接頭與其母材的慢應(yīng)變速率拉伸曲線?？梢钥闯?，3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和母材相比變化不大，但斷后伸長(zhǎng)率有所變化。其中，S32205不銹鋼焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率略微低于其母材；S30403和S32101不銹鋼焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率較各自母材都下降25%以上。

(a) S32205 (b) S32101 (c) S30403

一般來(lái)講，不銹鋼焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率較其母材會(huì)有所降低。這從母材和焊縫金屬關(guān)于斷后伸長(zhǎng)率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定就可以看出。由于焊縫金屬經(jīng)歷了多重焊道的熱循環(huán)和敏化過(guò)程，冷卻后形成的組織結(jié)構(gòu)使得焊接接頭的慢拉伸性能劣化。

2.3.2 介質(zhì)中Cl-含量和pH的影響

比較了不銹鋼焊接接頭在不同Cl-含量和pH下的慢應(yīng)變速率拉伸曲線，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)：當(dāng)pH為5，介質(zhì)中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.06%增大至15%時(shí)，3種不銹鋼焊接接頭的斷后伸長(zhǎng)率均有所降低，但變化幅度較小，S32205和S32101不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度變化不大，S30403不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有所提高。整體來(lái)看，當(dāng)Cl-含量增大時(shí)，不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性有所增大。

(a) S32205 (b) S32101 (c) S30403

由圖5還可見(jiàn)：當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，pH由5降低至2時(shí)，3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度變化不大，斷后伸長(zhǎng)率大幅下降(50%以上)，S32101不銹鋼焊接接頭尤為明顯。整體來(lái)講，當(dāng)pH降低時(shí)，不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性顯著增大。因此，介質(zhì)pH對(duì)不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性影響較大。

由圖6可以看出，隨著Cl-含量的提高和pH的降低，斷口頸縮程度逐漸減小，韌窩密度和深度降低，解理特征逐漸出現(xiàn)，當(dāng)pH為2時(shí)尤其明顯。

(a) 0.06% Cl-,pH5，低倍 (b) 0.06% Cl-，pH5，高倍 (c) 15% Cl-，pH5，低倍

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：介質(zhì)中Cl-含量提高和pH降低，都會(huì)使得材料的慢應(yīng)變速率拉伸塑性降低、應(yīng)力腐蝕敏感性增大。S32101和S30403焊接接頭的斷口形貌特征也大致相似。

2.3.3 溫度的影響

由圖7可見(jiàn)：在pH5, 15% Cl-條件下，當(dāng)溫度由20 ℃升高至80 ℃時(shí)，3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均有所降低，應(yīng)力腐蝕敏感性增大，但變化幅度都不大。因此，溫度升高對(duì)3種不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性不利，但影響幅度有限。

(a) S32205 (b) S32101 (c) S30403

2.3.4 含氧量的影響

在pH 5, 15% Cl-條件下，比較了3種不銹鋼焊接接頭在飽和氧和除氧溶液中的慢應(yīng)變速率拉伸曲線，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，和除氧相比，飽和氧條件下3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均降低，應(yīng)力腐蝕敏感性增加，但變化幅度都不大。

(a) S32205 (b) S32101 (c) S30403

由此可見(jiàn)，含氧量的提高對(duì)不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性有不利影響，但影響幅度有限。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)720 h恒載荷應(yīng)力(母材屈服強(qiáng)度的95%)腐蝕后，3種不銹鋼焊接接頭均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

(2)經(jīng)720 h恒變形應(yīng)力腐蝕后，3種不銹鋼焊接接頭均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，但S30403焊接接頭出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕跡象。

(3)在慢應(yīng)變速率試驗(yàn)中，3種不銹鋼焊接接頭耐應(yīng)力腐蝕性能的優(yōu)劣順序?yàn)椋篠32205>S32101>S30403。Cl-含量提高、pH降低、溫度升高、氧含量提高(飽和)均會(huì)使不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性提高。其中，介質(zhì)pH的影響最為顯著，其他因素的影響較小。S32101焊接接頭對(duì)介質(zhì)pH變化最為敏感。

(4)與母材相比，S32205焊接接頭的慢拉伸性能變化不大；S32101和S30403焊接接頭的抗拉強(qiáng)度變化不大，但斷后伸長(zhǎng)率大幅降低。