核电站不锈钢焊接接头的应力腐蚀行为

王宇欣,郭城湘,胡月飞,蔡 敏,高 宇,左景辉

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

在核电站中，不锈钢覆面可加强水池、水箱等储水设备的密封性，保证它们在各种设计工况下不发生泄漏，从而为生物防护、冷却和再循环等提供足够的水源。从国内外核电站的运行经验反馈来看，焊缝腐蚀导致水池不锈钢覆面泄漏失效从而影响核电站运行安全的案例时有发生[1-3]。国内对不锈钢覆面材料在实际运行环境中的腐蚀行为做过系统的研究[4-6]，但对其焊接接头的腐蚀行为研究鲜有报道，特别是在应力腐蚀方面。焊接接头由于存在残余应力，往往是不锈钢覆面的薄弱环节[7]。

传统的核电站不锈钢覆面材料为低碳奥氏体不锈钢Z2CN18-10(304L)。美国西屋公司在AP1000核电站钢覆面模块设计中采用了S32101双相不锈钢，中核在其某三代核电项目中已将部分不锈钢覆面材料变更为S32205双相不锈钢，后续项目中也将采用该不锈钢。

本工作选取S30403、S32101和S32205不锈钢的焊接接头为研究对象，通过恒载荷应力腐蚀试验、恒变形应力腐蚀试验、慢应变速率试验等，对其在硼酸溶液中的应力腐蚀行为进行详细研究。

1 试验

1.1 试样制备

试验采用3种不锈钢S30403、S32101和S32205的V型坡口板，尺寸150 mm×1 200 mm×10 mm，以对接形式焊接，共计8个焊接接头试样，焊接工艺参数见表1。

表1 不锈钢焊接接头的焊接工艺参数

首先按照NB/T 20003-2010《核电厂核岛机械设备无损检测》对该批试件进行了目视、液体渗透、射线等项目检测，结果均为合格。截取试件进行熔敷金属化学成分检验、力学性能检验(横向拉伸、面弯、背弯、夏比冲击)、晶间腐蚀试验、铁素体含量测定、金相检验等破坏性检验。按照NB/T 20002.3-2013《压水堆核电厂核岛机械设备焊接规范 第3部分：焊接工艺评定》中图5规定的位置取样，试验方法和取样方式参考NB/T 20004-2014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》。化学成分、力学性能检验均全部合格，部分力学性能见表2。

表2 不锈钢焊接接头的力学性能

从表2可以看出，不锈钢焊接接头S32101和S32205的强度高于S30403，S32101的低温冲击吸收能较低。

1.2 应力腐蚀试验

分别采用恒载荷法、恒变形法和慢应变速率法对不锈钢焊接接头和母材进行应力腐蚀试验。

恒载荷应力腐蚀试验采用P1500型试验机进行。试验溶液为硼酸溶液，其中含2 500 mg/L硼酸、1 500 mg/L SO42-、15%(质量分数)Cl-，pH为2.0。试验温度为80 ℃，加载力分别为三种材料各自屈服强度的95%，试验直至试样断裂或720 h为止。

恒变形应力腐蚀试验的试验条件与恒载荷试验相同。按照GB/T 15970.3-1995《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第3部分：U型弯曲试样的制备和应用》制备试样，试样尺寸为75 mm×15 mm×2 mm。

慢应变速率试验采用YL01-2型试验机进行，拉伸速率为10-6/s。试验介质为含2 500 mg/L硼酸和1 500mg/L SO42-的硼酸溶液，介质温度分别为20，80 ℃，Cl-含量分别为15%(质量分数，下同)和0.06%，介质的pH分别为2.0和5.0，介质中溶解氧含量分别为除氧和饱和氧。

2 结果与讨论

2.1 恒载荷应力腐蚀试验

经过720 h恒载荷应力腐蚀试验后，3种不锈钢焊接接头均未发生断裂，在10倍放大镜下，也未观察到应力腐蚀裂纹。试样只是发生了均匀腐蚀，表面有少量腐蚀产物，S32205不锈钢焊接接头的腐蚀尤其轻微，表面仍然光亮，如图1所示。

图1 恒载荷试验后不锈钢焊接接头的宏观形貌

2.2 恒变形应力腐蚀试验

经过720 h恒变形应力腐蚀试验后，3种不锈钢焊接接头均未发生应力腐蚀开裂，S32205试样表面腐蚀最轻，S32101试样表面次之，S30403试样的U型弯曲处有明显应力腐蚀迹象，试验后试样的宏观形貌，如图2所示。

图2 恒变形试验后不锈钢焊接接头的宏观形貌

2.3 慢应变速率试验

2.3.1 材料的影响

3种焊接接头在不同试验条件下的慢应变速率拉伸曲线见图3，由慢应变速率拉伸曲线得到相应的参数，见表3。结果表明：3种焊接接头的慢应变速率拉伸曲线的变化趋势基本相同。其中在3种介质条件下S32205不锈钢焊接接头的抗拉强度最高，均为710 MPa，断后伸长率居中；S30403不锈钢焊接接头的抗拉强度最低，仅有510 MPa左右，但断后伸长率最大；S32101不锈钢焊接接头的抗拉强度居中，为640 MPa左右，断后伸长率最低。

表3 不锈钢焊接接头的慢应变速率拉伸性能

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

由此可见，在3种典型试验条件下，3种不锈钢焊接接头耐应力腐蚀性能的优劣顺序为S32205>S32101>S30403。

图4比较了3种不锈钢焊接接头与其母材的慢应变速率拉伸曲线。可以看出，3种不锈钢焊接接头的抗拉强度和母材相比变化不大，但断后伸长率有所变化。其中，S32205不锈钢焊接接头的断后伸长率略微低于其母材；S30403和S32101不锈钢焊接接头的断后伸长率较各自母材都下降25%以上。

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

一般来讲，不锈钢焊接接头的断后伸长率较其母材会有所降低。这从母材和焊缝金属关于断后伸长率标准规定就可以看出。由于焊缝金属经历了多重焊道的热循环和敏化过程，冷却后形成的组织结构使得焊接接头的慢拉伸性能劣化。

2.3.2 介质中Cl-含量和pH的影响

比较了不锈钢焊接接头在不同Cl-含量和pH下的慢应变速率拉伸曲线，结果如图5所示。

由图5可见：当pH为5，介质中Cl-质量分数由0.06%增大至15%时，3种不锈钢焊接接头的断后伸长率均有所降低，但变化幅度较小，S32205和S32101不锈钢焊接接头的抗拉强度变化不大，S30403不锈钢焊接接头的抗拉强度有所提高。整体来看，当Cl-含量增大时，不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性有所增大。

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

由图5还可见：当Cl-质量分数为15%，pH由5降低至2时，3种不锈钢焊接接头的抗拉强度变化不大，断后伸长率大幅下降(50%以上)，S32101不锈钢焊接接头尤为明显。整体来讲，当pH降低时，不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性显著增大。因此，介质pH对不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性影响较大。

由图6可以看出，随着Cl-含量的提高和pH的降低，断口颈缩程度逐渐减小，韧窝密度和深度降低，解理特征逐渐出现，当pH为2时尤其明显。

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

以上试验结果表明：介质中Cl-含量提高和pH降低，都会使得材料的慢应变速率拉伸塑性降低、应力腐蚀敏感性增大。S32101和S30403焊接接头的断口形貌特征也大致相似。

2.3.3 温度的影响

由图7可见：在pH5, 15% Cl-条件下，当温度由20 ℃升高至80 ℃时，3种不锈钢焊接接头的抗拉强度和断后伸长率均有所降低，应力腐蚀敏感性增大，但变化幅度都不大。因此，温度升高对3种不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性不利，但影响幅度有限。

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

2.3.4 含氧量的影响

在pH 5, 15% Cl-条件下，比较了3种不锈钢焊接接头在饱和氧和除氧溶液中的慢应变速率拉伸曲线，结果见图8。由图8可以看出，和除氧相比，饱和氧条件下3种不锈钢焊接接头的抗拉强度和断后伸长率均降低，应力腐蚀敏感性增加，但变化幅度都不大。

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

由此可见，含氧量的提高对不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性有不利影响，但影响幅度有限。

3 结论

(1)经过720 h恒载荷应力(母材屈服强度的95%)腐蚀后，3种不锈钢焊接接头均未发生应力腐蚀断裂。

(2)经720 h恒变形应力腐蚀后，3种不锈钢焊接接头均未发生应力腐蚀开裂，但S30403焊接接头出现应力腐蚀迹象。

(3)在慢应变速率试验中，3种不锈钢焊接接头耐应力腐蚀性能的优劣顺序为：S32205>S32101>S30403。Cl-含量提高、pH降低、温度升高、氧含量提高(饱和)均会使不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性提高。其中，介质pH的影响最为显著，其他因素的影响较小。S32101焊接接头对介质pH变化最为敏感。

(4)与母材相比，S32205焊接接头的慢拉伸性能变化不大；S32101和S30403焊接接头的抗拉强度变化不大，但断后伸长率大幅降低。