690TT传热管和I-800传热管晶间腐蚀试验研究

2019-07-24汪潇但体纯罗垚

商品与质量 2019年12期

汪潇但体纯罗垚

核动力运行研究所核设备研究设计中心湖北武汉 430000

晶间腐蚀性能是传热管耐腐蚀性能的关键项。当发生晶间腐蚀时，金属晶粒之间结合力大大下降，材料的强度、塑性和韧性急剧降低。晶间腐蚀试验目的是考核材料的耐晶间腐蚀性能，考核试验越接近实际，越有利于模拟材料在特定的服役状态下的耐晶间腐蚀性能。传热管在蒸汽发生器制造过程中会经过焊接、热处理或者高温环境使用，可能会导致材料的敏化。为了更加充分的体现材料在使用条件下抗晶间腐蚀的能力，需要使材料在试验前进行一定时间的敏化。

690合金和I-800合金作为目前核电蒸汽发生器使用的传热管材料，都具有良好的耐腐蚀性能。目前尚没有评价690合金晶间腐蚀的标准方法，一般借用奥氏体不锈钢和其它镍基合金的晶间腐蚀评价方法，其中以化学浸泡法为主，采用ASTMA262C法[1]对690TT传热管进行晶间腐蚀试验。研究表明，ASTMA262C（65%硝酸）法相较于核电上常用的ASTMA262B（硫酸-硫酸铁）法，能使690TT传热管浸泡试样出现明显的晶间腐蚀现象，更加准确反映其耐晶间腐蚀性能。I-800传热管进行晶间腐蚀试验采用ASTMG28A 法[2]。

本文通过对国产化690TT传热管和I-800传热管进行晶间腐蚀试验，掌握两种传热管的晶间腐蚀试验数据，验证两种传热管晶间腐蚀性能是否满足标准要求，比较国产化690TT传热管和I-800传热管耐晶间腐蚀性能，为蒸汽发生器的设计及选材提供技术支持。

1 试验方法

1.1 试样制备

采用线切割装置将传热管加工成长20mm的试样，用聚四氟乙烯（PTFE）带缠绕传热管外表面确保试样表面不受损伤。测量每个试样的尺寸，根据实测尺寸计算试样的暴露面积。试样端面依次用180#、400#、800#和1200#砂纸逐级研磨，直至断面光亮且划痕方向一致。试样表面采用无水乙醇、丙酮清洗和除油。晶间腐蚀试验试样状态如表1所示。

表1 晶间腐蚀试验试样状态

1.2 试验过程

（1）690TT传热管晶间腐蚀试验过程。敏化处理完成后手工打磨掉表面氧化层，清洗并干燥后，用电子天平称重，然后放置干燥器中备用。每个试样称重后，将制备好的试样固定于玻璃镂空笼子中，每3个玻璃镂空笼子作为一组放入磨口锥形瓶中（如图1所示）；在4个试验容器中分别装入65%的优级纯浓硝酸溶液800ml，在溶液中加入少量沸石。将锥形瓶放置在加热炉上，装好冷凝管并接通冷凝水，将溶液缓慢加热至沸腾，然后在整个试验期间保持沸腾。以溶液沸腾开始时间作为试验开始时间进行记录。

每隔48h更换一次溶液。更换溶液期间，用水淋洗试样，并在流水下用橡胶或尼龙刷刷洗试样，去除所有附着的腐蚀产物，然后干燥并称重。将称重后的试样继续放入65wt%硝酸溶液中加热至沸腾，按上述操作步骤进行连续试验5个周期，累积试验时间为240h（5×48h），分别记录1-5个周期试验后的试样重量，计算其晶间腐蚀速率[3]。

图1 690TT传热管晶间腐蚀试样固定图

（2）I-800传热管晶间腐蚀试验过程。将制备好的试样固定于玻璃镂空笼子中，3个玻璃镂空笼子作为一组放入磨口锥形瓶中；在4个试验容器中分别装入硫酸铁-50%硫酸溶液600mL，在溶液中加入少量沸石，每一个锥形瓶中放入同一种传热管3个试样。

将锥形瓶放置在加热炉上，装好冷凝管并接通冷凝水，如图2所示，缓慢加热至沸腾，以溶液沸腾开始时间作为试验开始时间进行记录。试样在沸腾硫酸铁-50%硫酸溶液中连续浸泡120h后，试验结束。取出试样，将取出的试样用去离子水冲洗干净后用丙酮清洗，将清洗后的试样放入干燥箱中加热至105℃并保温30min，然后对试样称重记录。

2 试验结果与分析

2.1 690TT传热管晶间腐蚀试验结果

按照“ASTMA262-2002检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准方法”的方法C：硝酸试验方法的要求来进行试样的试验数据记录、处理及评价。腐蚀速率按以下公式计算：

表2 690TT传热管晶间腐蚀试验腐蚀速率表

腐蚀速率=ΔW/（A×t），单位mg/(dm2·day)。

其中t-试验时间，d；A=试样表面积，dm2；ΔW=重量损耗，mg。

690TT传热管试样每个周期的平均腐蚀速率和5个周期试验后总平均腐蚀速率如表2所示。从表2中可以看出，690TT传热管第1个周期的平均腐蚀速率明显大于后续2-5个试验周期的平均腐蚀速率，在整个试验周期内，690TT传热管试样每个周期的平均腐蚀速率呈减小的趋势。

两个批次690TT传热管未敏化试样平均晶间腐蚀速率为分别11.66和12.58mg/(dm2×day)；两个批次690TT传热管敏化试样平均晶间腐蚀速率为12.70和12.87mg/(dm2×day)；两个批次种690TT传热管在不同敏化状态下的平均腐蚀速率相差不大。690TT传热管试样未敏化态和敏化态的晶间腐蚀速率均小于20mg/(dm2×day)，满足传热管标准要求。

对比发现，690TT传热管所有敏化处理后的试样晶间腐蚀速率都要略高于未敏化处理的所有试样，说明敏化对690TT传热管的耐晶间腐蚀性能有影响。随着敏化时间的增加，晶界处的Cr碳化物形式析出更加充分，导致晶界Cr的贫化加剧，从而导致晶间腐蚀速率增加。结合690TT传热管晶间腐蚀试验研究结果还可以看出，690TT传热管热处理工艺已基本调整至最佳状态，在SG后续装配、焊接及加工过程中，应尽量避免针对传热管较长时间较高温度的“被动”热处理。

2.2 I-800传热管晶间腐蚀试验结果

按照ASTMG28-2002试验方法A“沸腾硫酸铁和50%硫酸试验方法”的要求来进行I-800传热管的试验数据记录、处理及评价。I-800传热管晶间腐蚀腐蚀速率按以下公式计算：

腐蚀速率=（K×W）/（A×T×D），单位mm/y；

其中：K-常量，8.76×104；T-暴露时间，h小时，精确到0.01h；A-面积，cm2，精确到0.01cm2；W-质量损失，g，精确到0.001g；D-密度，g/cm3。

从表3中可以看出，敏化后I-800（1）传热管晶间腐蚀速率由0.088mm/a增加至0.170mm/a，说明I-800（1）传热管的晶间腐蚀性能受敏化的影响较大。敏化后I-800（2）传热管的晶间腐蚀速率由0.147mm/a增加至0.165mm/a，说明I-800（2）传热管的晶间腐蚀性能较稳定，650℃,2h的敏化制度对I-800（2）传热管影响不大。I-800（1）传热管和I-800（2）传热管晶间腐蚀速率是满足标准要求的。

出现晶间腐蚀的原因是在敏化温度范围内，碳化物随着晶界析出，铬从晶粒边界的固溶体中分离出来，由于铬的扩散速度远低于碳化物的扩散速度，铬不能及时从晶粒内固溶体中扩散补充到边界[3]，因此只能消耗晶界附近的铬，造成晶界贫铬，从而导致晶间腐蚀速率加剧。