摘 要:對(duì)國(guó)產(chǎn)蒸汽發(fā)生器690TT 合金 U 形管彎管區(qū)進(jìn)行壁厚測(cè)量、金相檢驗(yàn)、晶間腐蝕、應(yīng)力 腐蝕、殘余應(yīng)力測(cè)試等試驗(yàn),并與直管區(qū)的性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:國(guó)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(dāng)。彎管后彎管區(qū)內(nèi)側(cè)表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,外側(cè)表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,消應(yīng)力熱處理后 彎管區(qū)殘余應(yīng)力絕對(duì)值減小,不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。采用彎管及消應(yīng)力熱處理可以使國(guó)產(chǎn)690TT 合 金 U 形管彎管區(qū)的各項(xiàng)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(yīng)力;晶間腐蝕

中圖分類號(hào):TG133.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)07-0013-05

蒸汽發(fā) 生 器 傳 熱 管 是 反 應(yīng) 堆 一、二 回 路 的 邊 界,其性能的 優(yōu) 劣 對(duì) 反 應(yīng) 堆 安 全 運(yùn) 行 具 有 重 要 意 義。為提高 蒸 汽 發(fā) 生 器 的 導(dǎo) 熱 性 能,其 傳 熱 管 壁 一般較薄,是 整 個(gè) 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(dǎo) 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(shí)效熱 處理(TT)態(tài),需要冷彎成 U 形管,彎管過(guò)程會(huì)導(dǎo)致彎 管區(qū)外側(cè)壁厚減薄;另外,由于彎管過(guò)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(huì)有殘 余應(yīng)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(yīng)力 也更大,彎管區(qū)的殘余應(yīng)力會(huì)增加傳熱管的應(yīng)力腐蝕 開裂(SCC)傾向;此外,小彎曲半徑 U 形管的消應(yīng)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(yīng)力熱處理易 使傳熱管彎管區(qū)在運(yùn)行期間發(fā)生腐蝕失效。蒸汽發(fā)生器傳熱管在運(yùn)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(guó) 產(chǎn) 690TT合金 U 形管彎管區(qū)的性能測(cè)定對(duì)傳熱管的設(shè) 計(jì)、工程應(yīng)用以及反應(yīng)堆的安全運(yùn)行都具有重要意 義。筆者對(duì)國(guó)產(chǎn)蒸汽發(fā)生器690TT合金 U 形管彎管 區(qū)進(jìn)行壁厚測(cè)量、金相檢驗(yàn)、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、殘 余應(yīng)力測(cè)試等試驗(yàn),并與直管區(qū)的性能進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)690TT 合金 U 形管,其化學(xué)成 分如表1所示。試樣狀態(tài)為時(shí)效熱處理態(tài)彎管區(qū)、 消應(yīng)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(shí)效熱處理為在真空狀 態(tài)下加熱至(725±10)℃,保溫10h。除保溫時(shí)間至少為2h外,消應(yīng)力熱處理的其他要求與時(shí)效熱 處理的要求相同。

1.2 試驗(yàn)方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壁厚測(cè)量

對(duì) R1,R2型 U 形管的時(shí)效熱處理態(tài)彎管區(qū)、 消應(yīng)力熱處理態(tài)彎管區(qū)的外側(cè)進(jìn)行了壁厚測(cè)量,測(cè) 點(diǎn)分別為彎管區(qū)的0°,45°,90°,135°,180°方向,壁厚 減薄量的測(cè)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(yīng)力熱處理后,彎管區(qū)的壁厚減薄量幾 乎無(wú)變化?？紤]到彎管半徑已經(jīng)相當(dāng)小,說(shuō)明國(guó)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(yàn)

690TT 合金 U 形管彎管后,需對(duì)小彎曲半徑 U 形管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理,熱處理可能使材料的顯微 組織發(fā)生變化[8]。對(duì) R1,R2型 U 形管時(shí)效熱處理 態(tài)和消 應(yīng) 力 熱 處 理 態(tài) 彎 管 區(qū) 的 中 心 處 (90°)以 及 直管區(qū)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),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(yīng)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(dāng),消應(yīng) 力熱處理前后晶粒度幾乎無(wú)變化。由圖1,2可知: 消應(yīng)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(wú)明顯差別。 說(shuō)明彎管及消應(yīng)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(yàn)

彎管消應(yīng)力熱處理溫度與時(shí)效熱處理溫度相 同,消應(yīng)力熱處理可能導(dǎo)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(duì)時(shí)效熱處理態(tài)和消應(yīng)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(jìn)行晶間腐 蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn) ASTM 262-2015中的 C 法執(zhí)行,試驗(yàn)時(shí)間為240h,每48h對(duì)試樣進(jìn)行稱 重,并計(jì)算腐蝕速率,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5 可知:消應(yīng)力前后 U 形管各部位的晶間腐蝕速率無(wú) 明顯變化,彎管區(qū)和直管區(qū)的晶間腐蝕速率相當(dāng),平 均晶間腐蝕速率均滿足壓水堆核電站對(duì)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(guó)產(chǎn)690TT 合金傳熱管 的彎管及消應(yīng)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(dāng)。

2.4 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

690TT 合金 U 形管彎管后彎管區(qū)會(huì)有殘余應(yīng) 力,尤其是小彎曲半徑的 U 形管,殘余應(yīng)力更大,使 其彎管區(qū)的應(yīng)力腐蝕傾向增大。對(duì)時(shí)效熱處理態(tài)和 消應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)要求, 試驗(yàn)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(yàn)時(shí)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(yīng)力腐蝕宏 觀 裂 紋,說(shuō) 明 經(jīng) 彎 管 和 消 應(yīng) 力 熱 處 理 后, 690TT 合金 U 形管彎管區(qū)無(wú)明顯應(yīng)力腐蝕傾向。

2.5 殘余應(yīng)力測(cè)試

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

R1,R2型 U 形管殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖5,6 所示,由圖5,6可知:彎管及消應(yīng)力熱處理后,U 形 管彎管區(qū)(B,C,D,E,F 處)的表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值 均大于直管區(qū)(A 處);消應(yīng)力熱處理后,彎管區(qū)殘余 應(yīng)力絕對(duì)值呈下降趨勢(shì),消應(yīng)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(yīng)力均為拉應(yīng)力,拉應(yīng)力是誘導(dǎo)傳 熱管發(fā)生應(yīng)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(yīng)力最大;消應(yīng)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(yīng)力 變小,但仍為拉應(yīng)力,且彎管區(qū)內(nèi)側(cè)表面殘余應(yīng)力仍 為最大,說(shuō)明彎管區(qū)內(nèi)側(cè)更易發(fā)生應(yīng)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(yīng)力 均為壓應(yīng)力,減小了傳熱管發(fā)生應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn);消 應(yīng)力后,彎管區(qū)軸向及環(huán)向表面殘余應(yīng)力仍均為負(fù) 值,但應(yīng)力變小,且分布更為均勻。RCC-M-2000 《壓 水 堆 核 島 機(jī) 械 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 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(yīng) 力腐蝕的殘余應(yīng)力為大于150MPa [10]。經(jīng)消應(yīng)力 熱 處 理 后,傳 熱 管 彎 管 區(qū) 的 殘 余 應(yīng) 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(shuō)明國(guó)產(chǎn)690TT 合金 U 形管的彎管及消 應(yīng)力熱處理工藝有效降低了殘余應(yīng)力絕對(duì)值,減小 了彎管區(qū)發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

(1)對(duì)彎管半徑為60mm 和70mm 的國(guó)產(chǎn)蒸 汽發(fā)生器690TT 合金 U 形管彎管區(qū)進(jìn)行了一系列 性能測(cè)定,發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)690TT 合金 U 形管的彎管及 消應(yīng)力熱處理工藝可以保障彎管區(qū)的各項(xiàng)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(yīng)力熱處理 后,彎管區(qū)的壁厚減薄量幾乎無(wú)變化。

(3)彎管消應(yīng)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(jí),消應(yīng)力熱處理前后晶粒度幾乎無(wú)變化。消 應(yīng)力熱處理前后傳熱管的晶間腐蝕速率也無(wú)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(duì)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(yīng)力為拉應(yīng)力, 外側(cè)表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力;消應(yīng)力后,彎管區(qū)殘余應(yīng) 力絕對(duì)值減小,應(yīng)力腐蝕傾向較小。其中,彎管區(qū)內(nèi)側(cè) 的拉應(yīng)力最大,說(shuō)明彎管區(qū)內(nèi)側(cè)更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

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