核级不锈钢大尺寸应力腐蚀裂纹的制备技术研究

2022-01-07 11:37:10 作者：俞照辉，严军辉来源：腐蚀与防护分享至：

反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等关键设备的在役检查是发现缺陷，预防事故，保障核电站安全运行的主要手段，也是每次换料大修期间的核心工作之一。为了保证在役检查结果的可靠性，在检查之前，要求采用与待检部位材料、尺寸及结构形式完全相同，内置人工缺陷的能力验证试块对检查人员的技术能力、设备的性能、规程有效性等进行验证。

然而，核用能力验证试块的制作是我国核电站技术体系中的一项“卡脖子”技术。国内尚无企业具备制造能力，几乎所有的核用能力验证试块都依赖国外进口。

应力腐蚀裂纹是核电站能力验证试块制作标准中要求的缺陷。虽然应力腐蚀破裂是核电站构件较为常见的失效形式，但通过人工手段制备大尺寸应力腐蚀裂纹的工艺尚不成熟，国外主要供应商均将其作为核心保密技术，鲜少有与之相关的公开发表的论文、专利或其他技术文档。

迄今为止，常采用小尺寸试样进行金属材料的应力腐蚀开裂研究，研究结论是否可以外推于大尺寸试样，是否适用于大尺寸应力腐蚀裂纹的制备，还有待进一步证实。

因此，国核电站运行服务技术有限公司的科研人员采用宽30mm的大尺寸核级316L奥氏体不锈钢试样，进行加速应力腐蚀开裂研究，以期在加快腐蚀开裂的同时尽可能降低变形量，为应力腐蚀裂纹的制备提供技术基础。

试验方法

试验采用核级316L奥氏体不锈钢，大尺寸应力腐蚀试样总长410mm，标距段尺寸为60mm×30mm×20mm，几何尺寸如图1所示。

图1 大尺寸应力腐蚀试样的几何尺寸

在大尺寸试样应力腐蚀试验前，先进行小尺寸试样的慢应变速率试验（SSRT），以筛选腐蚀介质及加载方式。小尺寸试样标距段尺寸为30mm×2mm×4mm，材质也是核级316L奥氏体不锈钢，小尺寸试样编号及其SSRT各项参数如表1所示。

表1 小尺寸试样的编号及SSRT各项参数

SSRT试验在定制的应力腐蚀拉伸机上进行，拉伸机的最大载荷为300kN。然后，根据小试样试验结果，择优选取试验溶液用于大试样试验。试验溶液由分析纯级试剂和蒸馏水配制。

外加电位可使金属表面析氢，从而引起不锈钢试样的氢脆。利用电化学方法测试了核级316L奥氏体不锈钢试样的极化曲线。电化学试验在CHI660C型电化学工作站上完成，试验溶液为5%（质量分数，下同） NaCl溶液，测试采用三电极体系：试样为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，文中电位若无特指均相对于SCE。极化曲线扫描范围为-1.533~0.466V，扫描速率为0.5mV/s和10mV/s。

试验结果

1 极化曲线

图2 不同扫描速率下试样的极化曲线

由图2可见，不同扫描速率下，试样的极化曲线形状有明显差异，这与相关学者的研究结果一致。在快扫条件下，极化曲线出现钝化区。根据快扫和慢扫条件下两条极化曲线的差异，整个电位可分为三个区域：

区域1：

电位高于-0.199V处为阳极溶解（AD）过程，故这个电位区间的应力腐蚀机理由AD过程支配。

区域2：

电位在-0.945~-0.199V之间的区域，有可能同时发生阳极溶解（AD）和氢致断裂（HE）。

区域3：

电位低于-0.945V处将发生氢致断裂（HE）。

为保证试样发生氢致断裂，本试验取-1.2V外加电位。

2 小尺寸试样的慢应变速率试验

图3 不同试验条件下小尺寸试样的应力-应变曲线

由图3可见，1号和2号试样的SSRT曲线相似，试样断裂时的应变几乎相等（约为74%），在此条件下，试样的应力腐蚀不明显。但施加-1.2V外加电位后，3号和4号试样在断裂时的应变大幅度降低，分别约为45%和42%，故外加电位会提高试样的应力腐蚀敏感性。4号试样的应变略低于3号试样，表明在小试样条件下，降低拉伸速率有利于应力腐蚀裂纹的产生。虽然5号试样的应变最小（仅14%），但其发生了严重腐蚀，且断裂的主要原因是腐蚀造成试样截面缩小。因此，5号试样所用腐蚀溶液（3.0%FeCl3+0.16%HCl）不适合制作应力腐蚀裂纹。

根据试样断裂前后的尺寸变化可以计算断后伸长率损失系数Iδ（又称应力腐蚀敏感系数），该指数可以表征试样的应力腐蚀敏感性，计算公式如下：

δ= [ （Lh-L）/L ] ×100%

Iδ= [ 1-（δs/δo） ] ×100%

式中：δ为断后伸长率，L和Lh分别表示试验前后试样标距段的长度，δS和δo分别为试样在腐蚀介质与空气中的断后伸长率。

试验测得1，2，3，4号试样的断后伸长率分别为77.0%、75.8%、49.1%和37.6%。故2号试样的应力腐蚀敏感性指标Iδ为1.53%，即试样在3.55%NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性很低。但对试样施加-1.2V外加电位后，3号和4号试样的Iδ分别上升至36.23%和51.15%。说明在NaCl与外加电位的双重作用下，试样的断裂受到了氢致开裂机制的影响。对比3号与4号试样，后者的加载速率较低，这使得活性氢原子有充足的时间扩散进入试样内部，最终导致试样的氢致开裂更为显著。这一结果也可为大尺寸试样的应力腐蚀试验提供参考。

3 大尺寸试样的SSRT

根据小尺寸试样的试验结果，试验溶液采用3.5%NaCl溶液，外加电位为-1.2V，对大尺寸试样进行SSRT，加载方式及试验结果如表2所示。大试样在SSRT过程中，全程施加-1.2V外加电位。表2中8号试样保载24天的目的是增加腐蚀因素对试样的作用时间。

表2 大尺寸试样的加载方式及试验结果

图4 大尺寸试样的应力-时间曲线

（a）6号试样

（b）7号试样

（c）8号试样

图5 大尺寸试样试验后的宏观形貌

由图4和5可见，6~8号试样的断裂时间依次增加；6号和7号试样的断口颈缩明显，8号试样的断口颈缩不明显。

由表2可见，大尺寸试样的断后延伸率明显低于小尺寸试样。当应变速率为10-6/s时，在3.5%NaCl溶液中，小尺寸试样（3号）的断后伸长率为49.1%，而同样条件下，大尺寸试样（6号）的断后伸长率为31%。两种试样的断后伸长率相差较大可能与试样的尺寸效应有关。小尺寸试样试验表明，延长外加电位的作用时间可以促进试样产生裂纹，这一结论在大尺寸试样上得到进一步验证。通过降低拉伸速率和保载处理，7号和8号试样的断后伸长率分别降至25%和12%。