Studie chování korozně namáhaných nerezových ocelí pro jaderné elektrárny při vysokých teplotách a vysokých tlacích vody

S rychlým rozvojem průmyslu roste poptávka po energii a tradiční uhelné elektrárny způsobují vážné znečištění životního prostředí. Vzhledem k tomu, že mezinárodní společenství věnuje stále větší pozornost emisím skleníkových plynů a oteplování klimatu, Čína uvedla rozvoj jaderné energetiky jako jedno z důležitých opatření k řešení problémů životního prostředí. Černobylská jaderná havárie v roce 1986 a havárie jaderné elektrárny Fukušima v Japonsku v roce 2011 vyvolaly výbuch, v jehož důsledku došlo k rozsáhlému úniku radioaktivních jaderných materiálů, a celosvětová jaderná bezpečnost nabývá na významu. V současné době se typy jaderných elektráren provozovaných ve světě dělí na lehkovodní a těžkovodní reaktory. Mezi lehkovodní reaktory patří tlakovodní reaktory (PWR) a varné reaktory (BWR). Koroze konstrukčních materiálů, zejména korozní praskání pod napětím (SCC), je hlavním problémem ovlivňujícím bezpečnost zařízení a potrubí v jaderných elektrárnách. Za účelem zlepšení korozní odolnosti zařízení jaderných elektráren se ve vodou chlazených jaderných reaktorech většinou používají konstrukční materiály ze slitin na bázi niklu a austenitických nerezových ocelí s dobrou korozní odolností a mechanickými vlastnostmi. Vynikající odolnost proti korozi je způsobena především tvorbou oxidového filmu bohatého na chrom (pasivační film) na povrchu materiálu v korozním prostředí.

Prostředí služeb jaderné kovové materiály je obvykle vodní prostředí s vysokou teplotou a vysokým tlakem, doprovázené určitým stupněm radiace. Drsné provozní prostředí a dlouhodobá expozice způsobují, že konstrukční materiály jaderných elektráren jsou v korozivním stavu. SCC ve vysokoteplotním a vysokotlakém vodním prostředí se týká procesu iniciace, šíření a vzniku trhlin způsobených lokálními defekty při společném zrychlení citlivých konstrukčních materiálů, korozivních médií a napětí. Jakmile je SCC iniciována, rychle se rozšíří na zařízení a materiály, což vede k selhání komponent, úniku chladicího média, a dokonce k odstavení bloku, což přímo ohrožuje bezpečný provoz jaderných elektráren. Proto se koroze nerezové oceli pod napětím v prostředí jaderných elektráren s vysokou teplotou a vysokým tlakem vody stala středem pozornosti doma i v zahraničí, zejména v posledním desetiletí, kdy se zlepšuje uplatnění a poptávka po čisté energii a zvyšuje se přísnost požadavků na bezpečný provoz jaderných elektráren, je mezinárodní výzkum koroze nerezových materiálů v jaderných elektrárnách pod napětím v období rychlého růstu.

Čínská jaderná energetika začala vznikat poměrně pozdě. V současné době je většina jaderných elektráren v provozu a ve výstavbě a využívá tlakovodní reaktory. Příslušná technologie je nezralá, základní výzkum chemie vody je nedostatečný a slabý a praktických zkušeností je málo. Konstrukční materiály používané v jaderných elektrárnách jsou především nerezová ocel 304 a 316, slitiny na bázi niklu 600 a 690, svařovací kovová slitina na bázi niklu 52/152 a uhlíková ocel. Výzkum prevence koroze a radiační ochrany konstrukčních materiálů jaderných elektráren v Číně zkoumal a aplikoval technologii chemie vody vhodnou pro domácí jaderné elektrárny, přičemž vycházel z praktických zkušeností zahraničních zemí a kombinoval je s aktuální situací v Číně.

SCC nerezové oceli pro jaderné elektrárny

Díky své dobré plasticitě, odolnosti proti korozi a zpracovatelským vlastnostem se nerezová ocel široce používá v hlavních zařízeních, trubkách a svarech jaderného ostrova PWR. Používá se hlavně v povrchové vrstvě tlakové nádoby reaktoru, šroubech vnitřních plášťů, mechanismu pohonu tlačných tyčí, potrubích hlavního chladicího systému reaktoru a dalších částech. V 70. letech 20. století byly zjištěny omezené příklady koroze pod napětím na materiálech z nerezové oceli v oblasti vysokého deformačního zpevnění hlavního systému tlakovodního reaktoru. Praskání způsobené čistě mechanickým namáháním se liší od SCC v prostředí s normální teplotou. Při použití nerezové oceli v prostředí jaderné elektrárny s vysokou teplotou a vysokým tlakem vody dochází k jejímu praskání i za podmínek extrémně nízkého napětí. Počet trhlin je malý, hloubka je hluboká, šířka úzká a směr je v podstatě kolmý na směr napětí. SCC může být transgranulární (TGSCC) nebo intergranulární (IGSCC). Proto má velký význam analyzovat vliv různých procesů zpracování materiálu a parametrů chemického prostředí vody na chování korozního namáhání nerezových materiálů ve vysokoteplotní a vysokotlaké vodě jaderných elektráren a vzájemné působení a součinnost materiálů, prostředí a napěťové deformace.

Metoda zkoušení koroze pod napětím

2.1 Běžné metody testování citlivosti SCC

SCC v konstrukčních materiálech jaderných elektráren způsobí problémy, jako je odstavení a údržba. Pokud se je nepodaří najít nebo s nimi správně zacházet, bude to mít přímý vliv na bezpečný a stabilní provoz jaderných elektráren. Domácí i zahraniční vědci studovali chování korozního praskání za napětí, iniciaci trhlin a rychlost růstu trhlin (CGR) materiálů z nerezové oceli v různých prostředích pomocí různých zkušebních metod.

V kombinaci s normou GB/T15970-2018 a ASTM E399 zahrnují vzorky pro zkoušku koroze pod napětím hladké vzorky, vzorky s vrubem a vzorky s předběžnou trhlinou a metody zatěžování zahrnují konstantní posun, konstantní zatížení a pomalou rychlost deformace. Metoda konstantního posunutí aplikuje na kovový materiál konstantní celkové posunutí prostřednictvím přípravku nebo šroubu před experimentem, často zahrnuje ohybový vzorek, vzorek ve tvaru U, vzorek ve tvaru C atd. Tato metoda je jednoduchá v režimu zatěžování, levná při upevnění přípravku a vhodná pro změnu velikosti vzorku v širokém rozsahu, ale odpovídající napětí nelze přesně kvantifikovat a analýza odpovídajícího stavu napětí není jednoznačná. Zkouška pomalou rychlostí deformace může zjednodušit použití a výpočet napětí a umožnit úplné porušení vzorku, aby bylo možné určit některé parametry pro vyhodnocení citlivosti materiálu na SCC. Zařízení je však poměrně složité a existuje mnoho faktorů ovlivňujících stanovení hodnoty rychlosti deformace. V porovnání se vzorkem v ohybu vyžaduje silnější vázací rám a způsob zatěžování. Moderní analytické a zkušební metody, jako je elektrochemická šumová technologie, mohou zajistit in situ, kontinuální a nedestruktivní sledování lokální iniciace a vývoje koroze. Korozní vlastnosti kovových materiálů při namáhání úzce souvisejí se strukturou materiálu, úrovní napětí a korozním prostředím. Při hodnocení citlivosti na korozi pod napětím je třeba zvolit vhodné metody zkoušení koroze pod napětím a typy vzorků. Různé zkušební metody mohou vést k různým výsledkům zkoušek.

2.2 Zkušební metoda pro zjišťování rychlosti vzniku a šíření trhlin SCC

Metoda zkoušky koroze kovu namáháním uvedená ve výše uvedených normách je obecně použitelná pro zkoušku citlivosti SCC za běžných podmínek a poskytuje také podporu a referenci pro zkoušku ve speciálním prostředí jaderné energetiky, jako je zkouška SSRT, zkouška U-ohybem, zkouška C-kroužkem atd.; Kompaktní vzorek v tahu (CT) lze kombinovat s metodou stejnosměrného poklesu potenciálu (DCPD) pro měření délky růstu trhliny in situ za účelem stanovení rychlosti růstu trhliny.

V posledních letech Čína s ohledem na obzvláště náročné prostředí jaderných elektráren s vysokou teplotou a vysokým tlakem vody navrhla speciální zkušební metody a vypracovala příslušné skupinové normy, jako je T/CSTM 00080-2019 o zkoušce iniciace trhlin, T/CNS 5-2018 o zkoušce rychlosti růstu trhlin atd. Skupinová norma je stanovena v kombinaci s existujícími normami doma i v zahraničí, jakož i s domácími zkušebními metodami, technickými dokumenty a praktickými zkušenostmi, a poskytuje tak podporu pro hladké, bezpečné a efektivní provádění zatěžování vzorků, online monitorování chemických parametrů vody, kontrolu v reálném čase a zátěžové korozní zkoušky v prostředí vysokoteplotní a vysokotlaké vody.

2.3 Elektrochemická zkušební metoda

Kromě přímého testování chování kovových materiálů při SCC je elektrochemie koroze také důležitou metodou pro hodnocení korozní odolnosti kovů, měření rychlosti koroze a studium mechanismu koroze. Čína rovněž formulovala příslušné normy, například GB/T 24196-2009, T/CNS 6-2018 a T/CNS 3-2018.

Faktory ovlivňující SCC ve vysokoteplotní a vysokotlaké vodě

Korozní chování korozivzdorné oceli při vysokých teplotách a vysokých tlacích vody v jaderné elektrárně podléhá komplexnímu vlivu různých faktorů, zejména materiálových faktorů (povrchová úprava, zpracování za studena, proces tepelného zpracování atd.), mechanických faktorů (mez kluzu, zbytkové napětí, faktor intenzity napětí, zatížení atd.) a hydrochemického prostředí (teplota, pH, anionty, rozpuštěný kyslík atd.).

3.1 Materiálové faktory

3.1.1 Povrchová úprava

Během provozu se nelze vyhnout povrchovým vadám materiálu a škrábancům způsobeným zpracováním. Scenini a kol. poukázali prostřednictvím testu pomalé deformační rychlosti (SSRT) na to, že povrchová úprava ve vysokoteplotní chladicí kapalině hraje důležitou roli při iniciaci trhlin SCC. Ve srovnání s mechanickým zpracováním je povrch vzorku nerezové oceli 304L leštěný oxidovou suspenzí (OPS) δ Oblast v blízkosti rozhraní ferit/austenit náchylnější k SCC, což ji činí citlivější na korozi pod napětím. V simulovaném vodním prostředí primárního okruhu PWR se na povrchu opracovaných vzorků obvykle tvoří transgranulární trhliny, které mají velký vztah ke stopám po opracování. Na povrchu dobře vyleštěného materiálu se však vyskytuje pouze několik transgranulárních trhlin a morfologie trhlin je převážně intergranulární.

Jako široce používaný proces zpevňování povrchu používá kuličkování částice broků k bombardování povrchu materiálu a implantování zbytkového tlakového napětí, které může kompenzovat část tahového napětí na povrchu teplonosné trubky, zlepšit únavovou pevnost obrobku a výrazně snížit citlivost nerezové oceli na korozi pod napětím. Zpevňování povrchu může ovlivnit makroskopický stav, mikrostrukturu, tvrdost, zbytkové napětí, martenzitickou přeměnu povrchu materiálu a následně ovlivnit citlivost materiálu na korozi pod napětím. Technologie laserového kuličkování nemá během provozu žádné odrazové médium a reakční sílu a nevznikají žádné zbytky, které by ovlivňovaly běžný provoz zařízení. Dokáže vytvořit hlubší vrstvu tlakového napětí než běžné kuličkování a nepoškozuje povrch součástí. Má zřejmý zpevňující účinek a operativnost. Považuje se za technologii, kterou lze použít v oblasti jaderné energetiky a která má široké možnosti využití.

3.1.2 Práce za studena

Opracování za studena v procesu zpracování, instalace a výroby jaderných energetických zařízení změní vnitřní mikrostrukturu materiálu. Například ohýbání, svařování, broušení, lisování a další procesy austenitické nerezové oceli způsobí plastickou deformaci materiálu, dislokační a bodové defekty způsobí posun mřížky, orientaci hranic zrn, hustotu dislokací a další změny. Změna lokálních mechanických vlastností a koncentrace napětí v materiálu zvýší citlivost korozního praskání nerezové oceli.

Výzkum ukazuje, že v simulovaném prostředí primární vody PWR se rychlost růstu SCC (CGR) výrazně zvyšuje se zvyšujícím se stupněm zpracování nerezové oceli za studena a odolnost nerezové oceli proti IGSCC se snižuje. Arioka a kol. studovali chování růstu SCC nerezové oceli 316 zpracované za studena ve vysokoteplotním roztoku lithného bóru pomocí tahových experimentů. Obecně je hrot trhliny zónou vysokého napětí. Vakanční defekty vzniklé při zpracování za studena se vlivem gradientu napětí pohybují směrem k hranici zrn a podél hranice zrn se přesouvají do zóny vysokého napětí, čímž se v místních oblastech vytváří vysoká hustota vakancí a vznikají díry v čele a v okolí trhliny, Vznik děr a vysoká hustota vakancí výrazně snižuje mechanické vlastnosti na hranici zrn, oslabuje vazebnou energii na hranici zrn, poskytuje slabou pozici pro růst trhliny a výrazně urychluje růst trhliny. Terachi a kol. navíc upozornili, že vakance a dislokace vzniklé při zpracování vzorků nerezové oceli 304 a 316 za studena mohou také výrazně zvýšit mez kluzu materiálu a odpovídajícím způsobem se zvýší rychlost růstu trhlin. Obecně se má za to, že mez kluzu materiálů σ Mezi y a CGR

3.1.3 Tepelné zpracování

Materiály z korozivzdorných ocelí obvykle procházejí ve výrobním procesu procesy tepelného zpracování, jako je pevný roztok, zcitlivění a stárnutí. Vysoká teplota má velký vliv na vývoj mikrostruktury a korozní odolnost materiálů. Nerezová ocel má za podmínek žíhání obsah Cr vyšší než 13% a vykazuje dobrou odolnost proti celkové korozi a lokální korozi. Nerezová ocel vystavená působení vysoké teploty se však sráží a na hranici zrn se vysráží karbidy bohaté na chrom (Cr23C6). Jev chudý na chrom na hranici zrn je jednou z hlavních příčin snížení odolnosti austenitické korozivzdorné oceli proti mezikrystalové korozi a korozi pod napětím. Správné ošetření stárnutím může problém s nedostatkem chromu zmírnit.

Při zpracování roztoku při určité teplotě (například 1100 ℃) se s prodloužením doby roztoku postupně dostatečně zvyšuje účinek roztoku atomů rozpuštěných látek a atomů nečistot v nerezové oceli 316L, zvyšuje se mikrotvrdost a zvyšuje se velikost zrn. V počáteční fázi vzniku mezikrystalové korozní trhliny není vliv různých způsobů ošetření roztokem na rychlost koroze vzorku zřejmý; v období růstu trhliny vykazovaly vzorky s delší dobou pevného roztoku výrazně lepší odolnost proti mezikrystalové korozi. Výsledky experimentů ukazují, že nerezová ocel s úpravou roztokem po dobu 0,5 ~ 1 h při teplotě 1100 ℃ má lepší komplexní vlastnosti. Ve srovnání s ošetřením roztokem se rychlost koroze a rychlost růstu trhlin u senzibilizované korozivzdorné oceli výrazně zvýšila. Je zřejmé, že senzibilizační úprava nepřispívá ke zlepšení odolnosti nerezové oceli 316L proti SCC. Proces senzibilizace snadno způsobuje nedostatek chromu na hranici zrn nerezové oceli 304. Citlivost na SCC se zvyšuje a je pravděpodobnější, že dojde k IGSCC.

Chování nerezové oceli při praskání

Nerezová ocel je ceněna pro svou trvanlivost a odolnost proti korozi. Za určitých podmínek však není odolná vůči praskání. Pochopení chování korozivzdorné oceli při vzniku trhlin je pro její efektivní použití zásadní.

Praskání může vést k závažným problémům v různých aplikacích. Korozní praskání pod napětím je běžný problém, který často zhoršují faktory prostředí. Inženýři a materiáloví vědci si musí být těchto problémů vědomi.

Porozumění vlastnostem a problémům nerezové oceli

Nerezová ocel je ceněna pro své výrazné vlastnosti, jako je pevnost a odolnost proti korozi. Díky těmto vlastnostem je oblíbenou volbou ve stavebnictví a výrobě. Přesto je důležité uvědomit si problémy, které mohou nastat.

Výkon a spolehlivost nerezové oceli může ovlivnit několik faktorů. Porozumění těmto prvkům pomáhá při navrhování bezpečnějších výrobků s delší životností. Problémy, jako je praskání, mohou oslabit její pevnost, pokud se jimi nezabýváte.

Mezi klíčové vlastnosti a problémy patří:

• Odolnost proti korozi
• Vysoká pevnost v tahu
• Náchylnost ke koroznímu praskání pod napětím
• Vliv podmínek prostředí
• Dopad výrobních procesů

Běžné typy prasklin v nerezové oceli

Nerezová ocel může trpět různými typy prasklin, z nichž každá má jedinečné vlastnosti. Pochopení těchto typů je zásadní pro správný výběr a použití materiálu.

Korozní praskání pod napětím (SCC) často postihuje nerezovou ocel v drsném prostředí. Dochází k němu při kombinaci tahového namáhání s korozivním prostředím, například působením chloridů. Zvláště náchylné jsou austenitické nerezové oceli.

Dalším rizikem je vodíková křehkost, kdy atomy vodíku pronikají do oceli, která se stává křehkou a náchylnou k praskání. K tomuto typu praskání často dochází v prostředí s vysokým tlakem.

Mezi běžné typy prasklin z nerezové oceli patří:

• Korozní praskání pod napětím (SCC)
• Křehkost vodíku
• Únavové praskání v důsledku cyklického zatížení
• Mezikrystalová koroze vedoucí k degradaci struktury

Příčiny a faktory přispívající k praskání nerezové oceli

Na vzniku trhlin v nerezové oceli se podílí několik faktorů. Jejich pochopení může pomoci při přijímání preventivních opatření.

Klíčovým faktorem je zbytkové napětí po svařování, které může vést k nechtěnému tahovému namáhání. Toto napětí, pokud není ošetřeno, zvyšuje pravděpodobnost vzniku trhlin vlivem okolního prostředí.

Vysoké teploty mohou zhoršit stávající zranitelnost, zejména v prostředí bohatém na chloridy.

Mezi faktory, které k tomu přispívají, patří:

• Zbytkové napětí po svařování
• Přítomnost chloridů
• Zvýšené teploty
• Metalurgická mikrostruktura

Strategie prevence a zmírnění dopadů

Prevence vzniku trhlin v nerezové oceli zahrnuje strategický výběr materiálu a optimalizaci procesu. Výběr správné třídy pro konkrétní podmínky je zásadní pro minimalizaci rizik.

Při prevenci koncentrace napětí hrají zásadní roli také konstrukční aspekty. Správná konstrukce dokáže rovnoměrněji rozložit napětí, čímž se sníží počet potenciálních míst vzniku trhlin.

Mezi účinné strategie patří:

• Výběr vhodných tříd nerezové oceli
• Optimalizace konstrukce pro snížení koncentrace napětí
• Provádění pravidelných kontrol a údržby

Závěr: Klíčové závěry pro aplikace z nerezové oceli

Pochopení chování nerezové oceli při vzniku trhlin je klíčem k zachování integrity konstrukce. Vyžaduje to věnovat pozornost jak vlastnostem materiálu, tak podmínkám prostředí.

Zavedení informovaných strategií může výrazně snížit riziko prasklin. Tím je zajištěna trvanlivost a bezpečnost aplikací z nerezové oceli.