核電站不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕行為

王宇欣,郭城湘,胡月飛,蔡 敏,高 宇,左景輝

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

在核電站中，不銹鋼覆面可加強水池、水箱等儲水設備的密封性，保證它們在各種設計工況下不發生泄漏，從而為生物防護、冷卻和再循環等提供足夠的水源。從國內外核電站的運行經驗反饋來看，焊縫腐蝕導致水池不銹鋼覆面泄漏失效從而影響核電站運行安全的案例時有發生[1-3]。國內對不銹鋼覆面材料在實際運行環境中的腐蝕行為做過系統的研究[4-6]，但對其焊接接頭的腐蝕行為研究鮮有報道，特別是在應力腐蝕方面。焊接接頭由于存在殘余應力，往往是不銹鋼覆面的薄弱環節[7]。

傳統的核電站不銹鋼覆面材料為低碳奧氏體不銹鋼Z2CN18-10(304L)。美國西屋公司在AP1000核電站鋼覆面模塊設計中采用了S32101雙相不銹鋼，中核在其某三代核電項目中已將部分不銹鋼覆面材料變更為S32205雙相不銹鋼，后續項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象，通過恒載荷應力腐蝕試驗、恒變形應力腐蝕試驗、慢應變速率試驗等，對其在硼酸溶液中的應力腐蝕行為進行詳細研究。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗采用3種不銹鋼S30403、S32101和S32205的V型坡口板，尺寸150 mm×1 200 mm×10 mm，以對接形式焊接，共計8個焊接接頭試樣，焊接工藝參數見表1。

表1 不銹鋼焊接接頭的焊接工藝參數

首先按照NB/T 20003-2010《核電廠核島機械設備無損檢測》對該批試件進行了目視、液體滲透、射線等項目檢測，結果均為合格。截取試件進行熔敷金屬化學成分檢驗、力學性能檢驗(橫向拉伸、面彎、背彎、夏比沖擊)、晶間腐蝕試驗、鐵素體含量測定、金相檢驗等破壞性檢驗。按照NB/T 20002.3-2013《壓水堆核電廠核島機械設備焊接規范 第3部分：焊接工藝評定》中圖5規定的位置取樣，試驗方法和取樣方式參考NB/T 20004-2014《核電廠核島機械設備材料理化檢驗方法》。化學成分、力學性能檢驗均全部合格，部分力學性能見表2。

表2 不銹鋼焊接接頭的力學性能

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

1.2 應力腐蝕試驗

分別采用恒載荷法、恒變形法和慢應變速率法對不銹鋼焊接接頭和母材進行應力腐蝕試驗。

恒載荷應力腐蝕試驗采用P1500型試驗機進行。試驗溶液為硼酸溶液，其中含2 500 mg/L硼酸、1 500 mg/L SO42-、15%(質量分數)Cl-，pH為2.0。試驗溫度為80 ℃，加載力分別為三種材料各自屈服強度的95%，試驗直至試樣斷裂或720 h為止。

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

慢應變速率試驗采用YL01-2型試驗機進行，拉伸速率為10-6/s。試驗介質為含2 500 mg/L硼酸和1 500mg/L SO42-的硼酸溶液，介質溫度分別為20，80 ℃，Cl-含量分別為15%(質量分數，下同)和0.06%，介質的pH分別為2.0和5.0，介質中溶解氧含量分別為除氧和飽和氧。

2 結果與討論

2.1 恒載荷應力腐蝕試驗

經過720 h恒載荷應力腐蝕試驗后，3種不銹鋼焊接接頭均未發生斷裂，在10倍放大鏡下，也未觀察到應力腐蝕裂紋。試樣只是發生了均勻腐蝕，表面有少量腐蝕產物，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 恒載荷試驗后不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌

2.2 恒變形應力腐蝕試驗

經過720 h恒變形應力腐蝕試驗后，3種不銹鋼焊接接頭均未發生應力腐蝕開裂，S32205試樣表面腐蝕最輕，S32101試樣表面次之，S30403試樣的U型彎曲處有明顯應力腐蝕跡象，試驗后試樣的宏觀形貌，如圖2所示。

圖2 恒變形試驗后不銹鋼焊接接頭的宏觀形貌

2.3 慢應變速率試驗

2.3.1 材料的影響

3種焊接接頭在不同試驗條件下的慢應變速率拉伸曲線見圖3，由慢應變速率拉伸曲線得到相應的參數，見表3。結果表明：3種焊接接頭的慢應變速率拉伸曲線的變化趨勢基本相同。其中在3種介質條件下S32205不銹鋼焊接接頭的抗拉強度最高，均為710 MPa，斷后伸長率居中；S30403不銹鋼焊接接頭的抗拉強度最低，僅有510 MPa左右，但斷后伸長率最大；S32101不銹鋼焊接接頭的抗拉強度居中，為640 MPa左右，斷后伸長率最低。

表3 不銹鋼焊接接頭的慢應變速率拉伸性能

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

由此可見，在3種典型試驗條件下，3種不銹鋼焊接接頭耐應力腐蝕性能的優劣順序為S32205>S32101>S30403。

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

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

一般來講，不銹鋼焊接接頭的斷后伸長率較其母材會有所降低。這從母材和焊縫金屬關于斷后伸長率標準規定就可以看出。由于焊縫金屬經歷了多重焊道的熱循環和敏化過程，冷卻后形成的組織結構使得焊接接頭的慢拉伸性能劣化。

2.3.2 介質中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下的慢應變速率拉伸曲線，結果如圖5所示。

由圖5可見：當pH為5，介質中Cl-質量分數由0.06%增大至15%時，3種不銹鋼焊接接頭的斷后伸長率均有所降低，但變化幅度較小，S32205和S32101不銹鋼焊接接頭的抗拉強度變化不大，S30403不銹鋼焊接接頭的抗拉強度有所提高。整體來看，當Cl-含量增大時，不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕敏感性有所增大。

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

由圖5還可見：當Cl-質量分數為15%，pH由5降低至2時，3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強度變化不大，斷后伸長率大幅下降(50%以上)，S32101不銹鋼焊接接頭尤為明顯。整體來講，當pH降低時，不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕敏感性顯著增大。因此，介質pH對不銹鋼焊接接頭的應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，當pH為2時尤其明顯。

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

以上試驗結果表明：介質中Cl-含量提高和pH降低，都會使得材料的慢應變速率拉伸塑性降低、應力腐蝕敏感性增大。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：在pH5, 15% Cl-條件下，當溫度由20 ℃升高至80 ℃時，3種不銹鋼焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率均有所降低，應力腐蝕敏感性增大，但變化幅度都不大。因此，溫度升高對3種不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕敏感性不利，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變速率拉伸曲線，結果見圖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度和斷后伸長率均降低，應力腐蝕敏感性增加，但變化幅度都不大。

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

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

3 結論

(1)經過720 h恒載荷應力(母材屈服強度的95%)腐蝕后，3種不銹鋼焊接接頭均未發生應力腐蝕斷裂。

(2)經720 h恒變形應力腐蝕后，3種不銹鋼焊接接頭均未發生應力腐蝕開裂，但S30403焊接接頭出現應力腐蝕跡象。

(3)在慢應變速率試驗中，3種不銹鋼焊接接頭耐應力腐蝕性能的優劣順序為：S32205>S32101>S30403。Cl-含量提高、pH降低、溫度升高、氧含量提高(飽和)均會使不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕敏感性提高。其中，介質pH的影響最為顯著，其他因素的影響較小。S32101焊接接頭對介質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焊接接頭的抗拉強度變化不大，但斷后伸長率大幅降低。