核電蒸汽發生器傳熱管材料的應力腐蝕研究現狀

徐勇

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265100）

核電蒸汽發生器傳熱管材料的應力腐蝕研究現狀

徐勇

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265100）

蒸汽發生器（SG）是核電站的一個重要設備，而傳熱管又是制約SG使用的關鍵因素。目前使用的傳熱管材料有690TT合金、800Mod合金等，應力腐蝕是其最主要的失效方式。從應力腐蝕的機制、材料的制作及使用環境等方面綜述SG傳熱管材料的應力腐蝕研究現狀，并指出未來的發展趨勢。

結構材料；蒸汽發生器；傳熱管；應力腐蝕

作為一種清潔能源，核電近年來受到了應有的重視，發展潛力巨大。根據“十三五”規劃，到2020年，我國運行核電裝機容量將達5 800萬千瓦，截至2016-12-31，這一數字為3 364萬千瓦。在大規模發展核電的同時，提升核電安全性與經濟性也成為我們面臨的重大議題。SG連接一、二回路，其傳熱管承受著一回路冷卻劑的高溫高壓、一二回路的壓差以及復雜的應力，工作環境惡劣。而一旦到了材料的耐受極限，就會發生破損，不僅電站不能繼續運行從而影響經濟性，還會因為一回路放射性物質向二回路泄漏而引發安全性問題。傳熱管的破損失效是各種腐蝕綜合作用造成的，其中，60%是因為應力腐蝕[1]。國內外針690TT合金和800Mod合金等的應力腐蝕已經做了大量的研究[2]，本文從應力腐蝕的機制、材料的制作以及工作環境等方面綜述SG傳熱管的應力腐蝕研究現狀，并指出未來的發展趨勢。

1 應力腐蝕的機制

應力腐蝕斷裂（SCC）指由環境和應力共同作用產生腐蝕，進而形成裂紋造成材料脆性斷裂。一般認為，它有陽極溶解和氫致開裂2種，亦或是二者共同作用。

陽極溶解：在拉應力和腐蝕介質的作用下材料表面的氧化膜破裂，基體材料裸露，與氧化膜未破裂部分分別形成微電池的陽極和陰極，陽極溶解進一步加劇材料的腐蝕。

氫致開裂：在拉應力和腐蝕介質的作用下陰極產生的氫原子或環境中的氫原子擴散到材料內部，從而引起材料脆性斷裂。

SCC經歷3個階段：孕育期、裂紋擴展期和失穩斷裂期，時間從數分鐘到數年，甚至更長。

2 材料制作的影響

2.1 材料成分的影響

690TT合金的主要成分包括C、Mn、Si、P、S、Cr、Ni、Mo、fe、N、Al、Ti、Cu 等元素，其中，Ni、Cr、Fe為主要元素，Ni約59%，Cr約30%，Fe約10%，其余元素約1%.800Mod合金則是一種鐵基合金，含有較多的Ni、Cr和少量的Si、Mn、Al、T。根據文獻[3]，提高Mn、Ni、Cr等元素含量有助于減少材料應力腐蝕，而P、S等元素發生晶界偏析，在晶界與氫發生交互作用，從而引發氫致斷裂。Mn元素則能加速P、S的晶界偏析。因此，冶煉時要減少P、S、Mn等元素的含量。當前，690TT和800Mod合金的成分控制已經通過ASME及RCC-M等國際標準加以固化。

2.2 熱處理的影響

熱處理是指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻等過程來獲得預期組織和性能的一種金屬加工工藝，其處理方法有正火、退火、固溶熱處理、實效、淬火、回火、調制處理等。在材料化學成分固定以后，熱處理顯著影響材料的微觀結構。晶界處的Cr容易與C結合，形成Cr23C6而析出，造成晶界的Cr含量減少形成貧鉻區，貧鉻區往往優先發生腐蝕。適當的熱處理能提高晶界的Cr含量，從而提升材料的抗應力腐蝕性能。不同熱處理過程導致碳化物析出形態和晶粒尺寸存在很大區別。

2.3 冷加工的影響

冷加工會引起材料內部的位錯向晶界偏移進而堆積，造成材料額外的內應力。而這種內應力在后續的處理過程中不一定能得到消除，由于應力正是應力腐蝕的條件之一，因此會加速裂紋的形成和沿晶界的擴展。研究表明，當冷加工引發的形變量達到一定程度時，材料內部的殘余應力會變得比較均勻，這時沿晶開裂和穿晶開裂同時發生，反而降低裂紋擴展速率。

3 工作環境的影響

盡管690TT合金和800Mod合金抗應力腐蝕性能比較強，至今未發生應力腐蝕開裂事故，但是在某些特殊環境下，仍不能排除這種可能。在一回路高溫高壓的環境下，鎳基合金會產生氧化膜。在腐蝕初期，氧化膜的生長速率受到限制，導致此階段腐蝕速率較大，隨著腐蝕的進行，更多的Fe、Cr、Ni離子暴露出來，這些離子往外擴散，與O發生反應生成一層Fe、Cr、Ni的氧化物，從而阻止合金基體與O接觸，使腐蝕速率下降，并朝停止的方向發展，由此使得材料表現出對應力腐蝕的低敏感度。

3.1 pH值的影響

不同的pH值環境會對690TT合金、800Mod合金的應力腐蝕造成影響。在弱酸和弱堿性環境中，材料具有較高的應力腐蝕敏感度，而且隨著酸性的增強，敏感度變高。在偏中性環境中，敏感度較低。

3.2 Pb的影響

Pb會加速材料的應力腐蝕。這主要體現在2個方面：一方面，Pb會破壞表明氧化膜，造成Cr的溶解，促進應力腐蝕斷裂；另一方面，當晶界Cr以碳化物形式析出后，晶內的Cr會往晶界移動以補充，而Pb能抑制這種移動，加劇局部貧鉻現象。

3.3 S的影響

S在核電一回路中會不可避免地存在。高價S并不會增強材料的應力腐蝕敏感性，低價S在強堿性環境中會加重材料的應力腐蝕斷裂，且會隨著pH值的升高變得更加強烈。

3.4 Cl的影響

一般來說，690TT、800Mod對Cl應力腐蝕不敏感，但在pH較低的情況下可能發生氯致應力腐蝕。

4 結論

690TT合金、800Mod合金作為主流的SG傳熱管材料，具有良好的抗應力腐蝕性能，到目前為止，該類材料尚未發生應力腐蝕失效事件。但是，由于該類材料使用年限并不長，而且國產化應用尚屬初期，不排除將來在某些惡劣工況下發生此類事故的可能性。未來，在可能的條件應進一步探究應力腐蝕的機理、材料的特殊加工工藝以及極端工況下的運行情況，以便提高材料的性能，增強抗應力腐蝕的能力。

［1］董毅，高志遠.我國核電事業的發展與Inconel 690合金的研制［J］.特鋼技術，2004，9（3）：45.

［2］Rebak R B，Szklarska-Smialowska，Z.Χia，et al.Effect of Solution Composition and Electrochemical Potential on Stress Corrosion Cracking of Χ-52 Pipeline Steels.Corro Sci，1996（38）：971.

［3］張紅斌，李守軍，胡堯和，等.國外關于蒸汽發生器傳熱管用Inconel 690合金的研究現狀［J］.特鋼技術，2003（4）：2.

TG174

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.070

2095－6835（2017）21－0070－02

徐勇（1987—），男，四川廣安人，本科，畢業于西安交通大學，現有職稱為助理工程師，研究方向為電力。

〔編輯：劉曉芳〕