核電主管道不銹鋼管在高溫高壓水環(huán)境下的疲勞裂紋萌生行為

 浙江至德鋼業(yè)有限公司利用腐蝕疲勞測試系統(tǒng)研究了高溫高壓水環(huán)境下兩種壓水堆核電站一回路主管道用不銹鋼管的腐蝕疲勞裂紋萌生行為。結果表明，316LN不銹鋼管的裂紋主要在材料表面的駐留滑移帶處萌生，少量裂紋在兩簇駐留滑移帶交界的亞晶界面處。含有少量鐵素體的Z3CN20.09M奧氏體不銹鋼管的疲勞裂紋依次在試樣表面的駐留滑移帶處、相界處和點蝕坑處萌生，但主要是在駐留滑移帶處。通過研究高溫高壓水環(huán)境下氧化膜的組成和腐蝕疲勞試樣橫截面的形貌，分析了疲勞裂紋在滑移帶處萌生的機理。最后對比分析兩種不銹鋼管裂紋萌生機制的異同，并討論了鐵素體對材料腐蝕疲勞性能的影響。

 不銹鋼管因具有優(yōu)良的力學和耐腐蝕性能，廣泛應用于能源、電力、化工等領域。CPR1000和AP1000型壓水堆核電站一回路主管道的制備分別采用Z3CN20.09M和316LN不銹鋼管。在核電站運行過程中，冷卻劑溫度、壓力變化或啟停堆過程均會對一回路主管道造成應力加載作用，同時主管道內(nèi)的高溫高壓水會對內(nèi)壁造成氧化或腐蝕作用，因此腐蝕疲勞是主管道材料的主要失效方式之一。但目前對主管道的失效研究主要集中在熱老化和應力腐蝕方面，關于腐蝕疲勞方面的研究相對較少。

 高溫高壓水環(huán)境對疲勞性能的影響主要表現(xiàn)在環(huán)境與材料接觸區(qū)域的氧化（腐蝕）行為上，如試樣表面氧化膜的形成、點蝕坑的萌生等，且以表面缺陷處最為明顯。因此，高溫高壓水環(huán)境往往會促進不銹鋼管在駐留滑移帶、點蝕坑、夾雜物、相界等區(qū)域萌生腐蝕疲勞裂紋，降低疲勞壽命。另外，同一種材料的腐蝕疲勞裂紋萌生方式往往不是單一的，但一般僅有一種或兩種占主導地位，隨著疲勞周次的增加，裂紋的萌生方式也會出現(xiàn)變化。雖然關于316LN和Z3CN20.09M不銹鋼管或類似鋼種的腐蝕疲勞裂紋萌生行為已有研究，但對于疲勞過程出現(xiàn)的萌生方式和主要的萌生機理尚不清楚，需進一步研究與探討。

 本研究在前期對316LN和Z3CN20.09M兩種奧氏體不銹鋼管在高溫高壓水環(huán)境下腐蝕疲勞裂紋萌生行為的研究基礎上，對比分析了兩種材料的裂紋萌生機制，并根據(jù)試驗結果總結出主要的裂紋萌生方式。根據(jù)不銹鋼管在高溫高壓環(huán)境下形成的氧化膜的組成，深入分析裂紋在滑移帶處萌生的機理。最后，結合實驗結果和文獻報道，總結分析了鐵素體相在腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展過程中的作用。

一、實驗

 1. 實驗材料

 本研究中使用的兩種材料是核級316LN和Z3CN20.09M奧氏體不銹鋼管，化學成分見表。

 316LN不銹鋼管由電渣重熔制備的鋼錠在1100℃下鍛造、1150℃固溶處理2小時后得到，平均晶粒尺寸約80μｍ。Z3CN20.09M不銹鋼管由離心鑄造、1180℃固溶處理8小時后得到，金相組織為島狀鐵素體分布在奧氏體基體中，鐵素體所占體積分數(shù)約為16%。

 2. 腐蝕疲勞測試

 腐蝕疲勞實驗所用設備為韓國KNR公司生產(chǎn)的PO103型腐蝕疲勞實驗測試系統(tǒng)，試驗機配備有控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、高壓釜系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，高壓釜體積為1L，最高使用溫度為350℃，壓力為15MPa。測試系統(tǒng)參數(shù)為：最大加載力20KN，軸向行程速率0.0001～10ｍｍ/min，測試頻率0.001～1Hz，最大軸向行程50ｍｍ。本研究中的疲勞實驗均為應變控制的低周疲勞實驗，實驗參數(shù)和水化學參數(shù)如表所示，根據(jù)兩種主管道的服役溫度，實驗溫度分別設為320℃和290℃。需要說明的是，一回路環(huán)境的實際運行壓力為15～17MPa，受實驗設備的限制，本研究未能達到。但在高壓釜內(nèi)壓力僅取決于水的加入量，對實驗結果無明顯影響。

 3. XPS測試

 為表明不銹鋼管在高溫高壓環(huán)境下形成的氧化膜的組成，需對疲勞實驗后的試樣表面開展光電子能譜衍射實驗。本研究用于XPS測試的實驗設備是日本島津國際公司生產(chǎn)的X射線電子能譜儀。測試結束后，用軟件進行分峰處理。

二、結果與討論

 1. 316LN不銹鋼管的裂紋萌生行為

   a. 裂紋在駐留滑移帶處萌生

   圖是316LN不銹鋼管在320℃高溫水環(huán)境下應變幅為±0.5％和±1.0％時腐蝕疲勞裂紋在滑移帶處萌生的形貌，可以看出，裂紋沿著滑移帶萌生，有時會在擴展過程中受到疲勞應力的影響，擴展方向發(fā)生變化。

   圖是316LN不銹鋼管在320℃高溫高壓水環(huán)境下形成的氧化膜的XPS測試結果。分析XPS實驗結果時，各分峰對應的物質(zhì)種類根據(jù)它們的結合能來判斷，而物質(zhì)對應的結合能可以從美國國家標準與技術研究院的XPS手冊中查到，詳細結果分析如下。各主峰經(jīng)分峰后可得到物質(zhì)對應的結合能，根據(jù)分峰的結果可以看出，高溫水環(huán)境下的氧化膜中可形成氧化物和氫氧化物，這與XPS實驗結果一致。在疲勞實驗過程中，材料表面形成的氧化膜和滑移帶之間的相互作用是不可避免的，氧化膜中的化合物會隨著滑移帶的擠入－擠出過程進入到基體材料中，進而破壞基體材料的連續(xù)性，促進疲勞裂紋的萌生。這一過程可以用圖中的模型進行描述。在腐蝕疲勞實驗初期，試樣表面會在拉壓應力的作用下形成滑移帶，該過程中會露出新鮮的基體金屬，如圖所示。新鮮金屬比較活潑，容易與高溫高壓水反應生成金屬化合物，如圖所示。當壓應力加載時，擠出的金屬隨著滑移帶的運動被擠入到基體金屬中，金屬化合物也被帶入，如圖所示。隨著疲勞應力的繼續(xù)加載，更多的腐蝕產(chǎn)物會隨著滑移帶的運動而被帶入到基體材料中，如圖所示。由滑移帶運動帶入到基體的腐蝕產(chǎn)物導致材料表面的完整結構被破壞，進而促進試樣表面的裂紋萌生。圖是不同應變幅下腐蝕疲勞實驗后試樣橫截面的形貌，可以看出試樣亞表面有大量腐蝕產(chǎn)物，且有裂紋萌生，這是腐蝕產(chǎn)物隨滑移帶進入基體并導致裂紋萌生的結果。因此，與常規(guī)疲勞相比，在高溫高壓水環(huán)境下裂紋更容易在滑移帶處萌生。

   b. 裂紋在亞晶界處萌生

  由于316LN不銹鋼管的層錯能較低，單個晶粒內(nèi)部往往會形成多個晶粒取向的亞晶，在疲勞實驗過程中，一個晶粒內(nèi)部往往會形成多簇平行的滑移帶。當疲勞應力加載時，不同取向的亞晶有不同的優(yōu)先滑移方向，各自形成平行的滑移帶，不同滑移帶之間呈一定的角度。亞晶界兩側滑移帶的形成會惡化此處的應力狀態(tài)，最終導致部分界面開裂并萌生裂紋。與在駐留滑移帶處的裂紋萌生相比，僅有少量亞晶界會在兩側形成滑移帶后發(fā)生開裂。因此，疲勞裂紋在駐留滑移帶處的萌生是316LN不銹鋼管的主要裂紋萌生方式。

 2. Z3CN20.09M不銹鋼管的裂紋萌生行為

 由于Z3CN20.09M不銹鋼管含有約16%的島狀鐵素體，其裂紋萌生方式比單相316LN不銹鋼管更為復雜。研究發(fā)現(xiàn)，Z3CN20.09M不銹鋼管在290℃高溫水環(huán)境下腐蝕疲勞裂紋不僅在駐留滑移帶處萌生，還會在相界和點蝕坑處萌生。實驗結果表明，Z3CN20.09M不銹鋼管的疲勞裂紋在駐留滑移帶的萌生與316LN不銹鋼管基本一致，本節(jié)不再詳述。

  a. 裂紋在相界處萌生

   圖是Z3CN20.09M不銹鋼管在290℃水環(huán)境下疲勞裂紋在相界處萌生的形貌。眾所周知，鐵素體相與奧氏體相的晶體結構和強度不同，在疲勞應力循環(huán)過程中，兩相的變形會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。實驗結果表明，滑移帶均在奧氏體中形成，這會惡化相界處的應力狀態(tài)，進而加劇裂紋在此萌生。常規(guī)環(huán)境下的疲勞過程中也會發(fā)生上述現(xiàn)象，但由于相界是材料晶體缺陷的富集區(qū)，耐蝕性能較差，高溫高壓水環(huán)境下的腐蝕作用會進一步加速裂紋的萌生。含有鐵素體相的不銹鋼管在疲勞實驗過程中，奧氏體相內(nèi)形成的駐留滑移帶在相界處會停止延伸，同樣，裂紋在擴展過程中遇到鐵素體相時也因其較高的強度而受到阻礙，從而延緩擴展。

  b. 裂紋在點蝕坑處萌生

  據(jù)文獻報道，不銹鋼管長期暴露在高溫高壓水環(huán)境下會發(fā)生點蝕，特別是在有晶體缺陷的表面，滑移帶和相界區(qū)域均容易萌生點蝕坑。當點蝕坑長大到一定程度后，會造成應力集中，進而萌生裂紋，圖是Z3CN20.09M不銹鋼管表面腐蝕疲勞裂紋在點蝕坑處萌生的形貌。點蝕坑及其裂紋萌生的過程如下：在疲勞實驗開始時，隨著疲勞應力的不斷循環(huán)，奧氏體中的滑移帶不斷形成、加深，相界處也因兩相的不均勻變形使得晶體缺陷不斷增加；隨著時間的延長這些區(qū)域開始被高溫高壓水環(huán)境腐蝕，可能發(fā)生的化學反應，在以上化學反應過程中，未變形區(qū)域可被作為陰極，變形的奧氏體相或相界作為陽極而被腐蝕，隨著腐蝕過程的不斷進行會形成點蝕坑。當點蝕坑長大至能夠引起一定程度的應力集中后，就會在疲勞應力的作用下萌生裂紋。由于鉬元素能夠提高不銹鋼管的抗點蝕性能，含鉬的316LN不銹鋼管中很少出現(xiàn)點蝕坑，而在不含鉬元素的Z3CN20.09M不銹鋼管中則容易出現(xiàn)。

 以上討論的Z3CN20.09M不銹鋼管在290℃高溫高壓水環(huán)境下的三種腐蝕疲勞裂紋萌生方式在腐蝕疲勞過程中的出現(xiàn)有先后順序，裂紋首先在駐留滑移帶處萌生，其次在相界處萌生，在點蝕坑處的裂紋則在最后出現(xiàn)。這歸因于環(huán)境與材料疲勞行為的相互作用：在疲勞實驗的前期，由于駐留滑移帶的形成和高溫高壓水環(huán)境的促進作用，小裂紋開始沿著駐留滑移帶萌生；隨著疲勞循環(huán)的進行，由于鐵素體相和奧氏體相的不均勻變形及水環(huán)境的腐蝕作用，裂紋開始在相界處萌生；雖然駐留滑移帶和相界在實驗的早期就存在，但這些區(qū)域需要被高溫高壓水腐蝕相當長的一段時間才形成點蝕坑，且點蝕坑僅有少量能長大至引起足夠的應力集中并萌生裂紋，因此點蝕坑處的裂紋萌生在疲勞實驗的最后階段才開始出現(xiàn)。不僅如此，三種方式萌生的裂紋數(shù)量也有很大差距。統(tǒng)計結果顯示，在不同應變幅下，均以裂紋在駐留滑移帶處的萌生最多，而在點蝕坑處最少。這歸因于駐留滑移帶在疲勞壽命的早期就開始出現(xiàn)，且一直持續(xù)到最后，是裂紋最容易萌生的區(qū)域。對比316LN和Z3CN20.09M兩種奧氏體不銹鋼管在高溫高壓水環(huán)境下的裂紋萌生行為可以發(fā)現(xiàn)，鐵素體相的存在對材料的裂紋萌生有明顯的影響。首先，在Z3CN20.09M不銹鋼管中，鐵素體相的存在會使滑移帶的延伸在相界處停止，進而起到減緩裂紋萌生的作用。其次，由于鐵素體相的存在，相界會成為裂紋源，雖然在常規(guī)環(huán)境下相界能起到強化作用，但相界處也會因位錯缺陷的聚集被高溫高壓水優(yōu)先腐蝕而開裂，因此鐵素體相的存在會增加裂紋萌生的概率。在裂紋擴展的過程中，由于鐵素體相具有較高的強度，往往能夠起到減緩裂紋擴展的作用。至德鋼業(yè)研究了AL2003雙相不銹鋼管的低周疲勞行為，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋在穿過相界和晶界時有明顯的停滯效應，經(jīng)過一些循環(huán)周次后才會繼續(xù)擴展，研究中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。如前所述，兩種主管道材料的制備工藝和服役環(huán)境也有區(qū)別：316LN不銹鋼管管道是鍛造而成，很明顯鍛造能夠有效提高其腐蝕疲勞性能，但其服役溫度也更高；Z3CN20.09M不銹鋼管是離心鑄造而成，其服役溫度較低，且鐵素體相在長期服役過程中會出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象。因此，僅通過以上研究結果和分析并不能直接比較兩種材料的優(yōu)劣。

三、結論

 1. 316LN不銹鋼管在高溫高壓水環(huán)境下的裂紋主要在駐留滑移帶處萌生，這歸因于在該環(huán)境下試樣表面形成的腐蝕產(chǎn)物隨滑移帶運動進入到基體材料，加速裂紋的萌生；同時，少量裂紋還會在兩簇滑移帶的亞晶界面處萌生。

 2. Z3CN20.09M不銹鋼管在水環(huán)境下的疲勞裂紋在駐留滑移帶、相界和點蝕坑處萌生。裂紋在駐留滑移帶處的萌生機理與316LN不銹鋼管一致；在相界處的萌生則歸因于鐵素體與奧氏體力學性能的差異以及相界較差的腐蝕性能；點蝕性能差是裂紋在點蝕坑處萌生的主要原因。

 3. Z3CN20.09M不銹鋼管的三種裂紋萌生方式存在一定的內(nèi)在聯(lián)系：一方面，三種方式萌生的腐蝕疲勞裂紋在駐留滑移帶、相界和點蝕坑處依次出現(xiàn)；另一方面，以在滑移帶處的裂紋萌生為主，點蝕坑處的裂紋萌生最少。

 4. 對比兩種不銹鋼管的裂紋萌生機理發(fā)現(xiàn)，鐵素體相是二者存在差異的主要原因。鐵素體相既能阻止滑移帶的延伸，減緩裂紋的萌生與擴展，又會造成相界處裂紋的萌生。