Studie über das Spannungskorrosionsrissverhalten von nichtrostendem Stahl für Kernkraftwerke bei hohen Temperaturen und hohem Wasserdruck

Mit der rasanten Entwicklung der Industrie steigt die Nachfrage nach Energie, und die herkömmlichen Kohlekraftwerke verursachen eine erhebliche Umweltverschmutzung. Da die internationale Gemeinschaft den Treibhausgasemissionen und der Klimaerwärmung immer mehr Aufmerksamkeit schenkt, hat China die Entwicklung der Kernenergie als eine der wichtigsten Maßnahmen zur Lösung der Umweltprobleme genannt. Der Reaktorunfall in Tschernobyl 1986 und der Reaktorunfall in Fukushima in Japan 2011 lösten eine Explosion aus, die zu einem großflächigen Austritt von radioaktivem Material führte, und die weltweite nukleare Sicherheit hat an Bedeutung gewonnen. Derzeit werden die weltweit betriebenen Kernkraftwerkstypen in Leichtwasserreaktoren und Schwerwasserreaktoren unterteilt. Zu den Leichtwasserreaktoren gehören Druckwasserreaktoren (PWR) und Siedewasserreaktoren (BWR). Die Korrosion von Strukturwerkstoffen, insbesondere die Spannungsrisskorrosion (SCC), ist ein großes Problem, das die Sicherheit von Ausrüstungen und Rohrleitungen in Kernkraftwerken beeinträchtigt. Um die Korrosionsbeständigkeit von Kernkraftanlagen zu verbessern, werden in wassergekühlten Kernreaktoren überwiegend Nickelbasislegierungen und austenitische nichtrostende Stähle mit guter Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften verwendet. Die überragende Korrosionsbeständigkeit ist hauptsächlich auf die Bildung einer chromreichen Oxidschicht (Passivierungsschicht) auf der Werkstoffoberfläche im korrosiven Medium zurückzuführen.

Das Dienstleistungsumfeld von metallische Kernmaterialien ist in der Regel eine Umgebung mit hohen Temperaturen und hohem Druck, begleitet von einem gewissen Maß an Strahlung. Die raue Betriebsumgebung und die langfristige Exposition führen dazu, dass die Baumaterialien von Kernkraftwerken in einen korrosiven Zustand geraten. SCC in Hochtemperatur- und Hochdruckwasser bezieht sich auf den Prozess der Rissentstehung, -ausbreitung und -bildung, der durch lokale Defekte unter der gemeinsamen Beschleunigung von empfindlichen Strukturmaterialien, korrosiven Medien und Stress verursacht wird. Ist die Rissbildung erst einmal in Gang gesetzt, breitet sie sich rasch auf die Ausrüstung und die Werkstoffe aus und führt zum Versagen von Bauteilen, zum Austritt von Kühlmittel und sogar zur Abschaltung von Anlagen, was den sicheren Betrieb von Kernkraftwerken unmittelbar gefährdet. Daher ist die Spannungskorrosion von rostfreiem Stahl in der Hochtemperatur- und Hochdruckwasserumgebung von Kernkraftwerken zum Schwerpunkt der Aufmerksamkeit im In- und Ausland geworden, insbesondere im letzten Jahrzehnt, mit der Verbesserung der Anwendung und der Nachfrage nach sauberer Energie und der Erhöhung der Strenge der Anforderungen für den sicheren Betrieb von Kernkraftwerken, die internationale Forschung über Spannungskorrosion von rostfreien Stahlwerkstoffen in Kernkraftwerken befindet sich in einer schnellen Wachstumsphase.

Die chinesische Kernkraftindustrie ist relativ spät entstanden. Gegenwärtig sind die meisten der in Betrieb befindlichen und im Bau befindlichen Kernkraftwerke importierte Reaktoren und verwenden Druckwasserreaktoren. Die entsprechende Technologie ist unausgereift, die Grundlagenforschung zur Wasserchemie ist unzureichend und schwach, und es gibt nur wenige praktische Erfahrungen. Die in Kernkraftwerken verwendeten Konstruktionswerkstoffe sind hauptsächlich Edelstahl 304 und 316, Nickelbasislegierung 600 und 690, Schweißmetall Nickelbasislegierung 52/152 und Kohlenstoffstahl. Die Forschung zum Korrosions- und Strahlenschutz von Konstruktionsmaterialien für Kernkraftwerke in China hat die für inländische Kernkraftwerke geeignete Wasserchemie-Technologie erforscht und angewandt, wobei sie sich auf die praktischen Erfahrungen im Ausland stützt und mit der tatsächlichen Situation in China kombiniert wurde.

SCC von rostfreiem Stahl für Kernkraftwerke

Aufgrund seiner guten Plastizität, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitungseigenschaften wird rostfreier Stahl in großem Umfang für die Hauptausrüstung, Rohre und Schweißnähte der DWR-Kernkraftwerksinsel verwendet. Er wird vor allem in der Deckschicht des Reaktordruckbehälters, in den Schrauben des Innenmantels, im Antriebsmechanismus der Schubstange, in den Rohren des Reaktorkühlsystems und anderen Teilen verwendet. In den 1970er Jahren wurden in begrenztem Umfang Fälle von Spannungskorrosion an Werkstoffen aus nichtrostendem Stahl im Bereich der hohen Kaltverfestigung des Hauptsystems des Druckwasserreaktors festgestellt. Die durch rein mechanische Beanspruchung verursachte Rissbildung unterscheidet sich von der Risskorrosion bei normalen Temperaturen. Wenn nichtrostender Stahl in der Hochtemperatur- und Hochdruckwasserumgebung eines Kernkraftwerks verwendet wird, kommt es selbst bei extrem geringer Belastung zu Rissen. Die Anzahl der Risse ist gering, die Tiefe ist tief, die Breite ist schmal, und die Richtung ist im Wesentlichen senkrecht zur Spannungsrichtung. SCC kann transgranular (TGSCC) oder intergranular (IGSCC) sein. Daher ist es von großer Bedeutung, den Einfluss verschiedener Materialverarbeitungsprozesse und wasserchemischer Umgebungsparameter auf das Spannungskorrosionsverhalten von Edelstahlwerkstoffen in Hochtemperatur- und Hochdruckwasser in Kernkraftwerken sowie die Interaktion und Synergie von Werkstoffen, Umgebung und Spannungsbeanspruchung zu analysieren.

Prüfverfahren für Spannungskorrosion

2.1 Gängige SCC-Empfindlichkeitsprüfverfahren

SCC in Baumaterialien von Kernkraftwerken verursacht Probleme bei der Abschaltung und Wartung. Wird es nicht erkannt oder richtig behandelt, wirkt sich dies direkt auf den sicheren und stabilen Betrieb von Kernkraftwerken aus. Inländische und ausländische Wissenschaftler haben das Spannungskorrosionsverhalten, die Rissbildung und die Risswachstumsrate (CGR) von rostfreiem Stahl in verschiedenen Umgebungen mit unterschiedlichen Prüfmethoden untersucht.

In Kombination mit der Norm GB/T15970-2018 und ASTM E399 umfassen Spannungskorrosionsprüfkörper glatte Proben, gekerbte Proben und vorgerissene Proben, und die Belastungsmethoden umfassen konstante Verschiebung, konstante Last und langsame Dehnungsrate. Bei der Methode der konstanten Verschiebung wird vor dem Versuch eine konstante Gesamtverschiebung auf das Metallmaterial durch die Vorrichtung oder den Bolzen ausgeübt, was häufig Biegeproben, U-förmige Proben, C-förmige Proben usw. umfasst. Diese Methode ist einfach im Belastungsmodus, billig in der Befestigung der Vorrichtung und geeignet für die Änderung der Probengröße in einem breiten Bereich, aber die entsprechende Spannung kann nicht genau quantifiziert werden, und die Analyse des entsprechenden Spannungszustandes ist nicht klar. Die Prüfung mit langsamer Dehnungsrate kann die Anwendung und Berechnung der Spannung vereinfachen und die Probe vollständig brechen lassen, um einige Parameter zur Bewertung der SCC-Empfindlichkeit des Materials zu bestimmen. Die Ausrüstung ist jedoch relativ komplex, und es gibt viele Faktoren, die die Bestimmung des Dehnungsratenwertes beeinflussen. Im Vergleich zur Biegeprobe sind ein dickerer Einspannrahmen und ein Belastungsverfahren erforderlich. Moderne Analyse- und Prüfverfahren wie die elektrochemische Rauschtechnologie ermöglichen eine kontinuierliche und zerstörungsfreie Überwachung der lokalen Korrosionsentstehung und -entwicklung in situ. Das Spannungskorrosionsverhalten metallischer Werkstoffe steht in engem Zusammenhang mit der Werkstoffstruktur, dem Spannungsniveau und dem Korrosionsmedium. Bei der Bewertung der Empfindlichkeit gegenüber Spannungskorrosion sollten geeignete Prüfmethoden und Probentypen ausgewählt werden. Unterschiedliche Prüfmethoden können zu unterschiedlichen Prüfergebnissen führen.

2.2 Prüfverfahren für SCC-Rissinitiierung und -ausbreitungsrate

Die Metallspannungs-Korrosionsprüfmethode in den oben genannten Normen ist allgemein für die Prüfung der SCC-Empfindlichkeit unter konventionellen Bedingungen anwendbar und bietet auch Unterstützung und Referenz für die Prüfung in der speziellen Umgebung der Kernkraft, wie SSRT-Test, U-Bogen-Test, C-Ring-Test, usw.; Die kompakte Zugprobe (CT) kann mit der DC-Potential-Drop-Methode (DCPD) kombiniert werden, um die Risswachstumslänge in situ zu messen und die Risswachstumsrate zu bestimmen.

In den letzten Jahren hat China in Anbetracht der besonders rauen Hochtemperatur- und Hochdruckwasserumgebung von Kernkraftwerken spezielle Prüfverfahren entwickelt und entsprechende Gruppennormen erarbeitet, wie z. B. T/CSTM 00080-2019 zur Rissinitiierungsprüfung, T/CNS 5-2018 zur Prüfung der Risswachstumsrate usw. Die Gruppennorm wird in Kombination mit den bestehenden Normen im In- und Ausland sowie mit inländischen Prüfverfahren, technischen Dokumenten und praktischen Erfahrungen festgelegt und bietet Unterstützung für die reibungslose, sichere und effektive Durchführung der Probenbeladung, der Online-Überwachung der chemischen Wasserparameter, der Echtzeitkontrolle und der Belastungskorrosionsprüfung in Hochtemperatur- und Hochdruckwasserumgebungen.

2.3 Elektrochemisches Prüfverfahren

Neben der direkten Prüfung des SCC-Verhaltens von Metallwerkstoffen ist die Korrosionselektrochemie auch eine wichtige Methode zur Bewertung der Korrosionsbeständigkeit von Metallen, zur Messung der Korrosionsrate und zur Untersuchung des Korrosionsmechanismus. China hat auch relevante Normen formuliert, wie GB/T 24196-2009, T/CNS 6-2018 und T/CNS 3-2018.

Faktoren, die SCC in Wasser mit hoher Temperatur und hohem Druck beeinflussen

Das Spannungskorrosionsverhalten von nichtrostendem Stahl in der Hochtemperatur- und Hochdruckwasserumgebung von Kernkraftwerken unterliegt dem umfassenden Einfluss verschiedener Faktoren, zu denen vor allem Materialfaktoren (Oberflächenbehandlung, Kaltbearbeitung, Wärmebehandlungsverfahren usw.), mechanische Faktoren (Streckgrenze, Eigenspannung, Spannungsintensitätsfaktor, Belastung usw.) und hydrochemische Umgebungsbedingungen (Temperatur, pH-Wert, Anionen, gelöster Sauerstoff usw.) gehören.

3.1 Materielle Faktoren

3.1.1 Oberflächenbehandlung

Materialoberflächendefekte und Kratzer, die durch die Bearbeitung verursacht werden, sind während des Betriebs unvermeidbar. Scenini et al. wiesen durch einen Test mit langsamer Verformungsgeschwindigkeit (SSRT) darauf hin, dass die Oberflächenbehandlung in Hochtemperatur-Kühlmitteln eine wichtige Rolle bei der Entstehung von SCC-Rissen spielt. Im Vergleich zur mechanischen Bearbeitung wurde die Oberfläche der Probe aus nichtrostendem Stahl 304L durch Oxid-Suspension (OPS) poliert δ Der Bereich in der Nähe der Ferrit/Austenit-Grenzfläche ist anfälliger für SCC, was ihn empfindlicher für Spannungskorrosion macht. In der simulierten Wasserumgebung des DWR-Primärkreislaufs bilden sich in der Regel transgranulare Risse auf der Oberfläche der bearbeiteten Proben, die in enger Beziehung zu den Bearbeitungsspuren stehen. Auf der Oberfläche des gut polierten Materials gibt es jedoch nur wenige transgranuläre Risse, und die Rissmorphologie ist hauptsächlich intergranulär.

Das Kugelstrahlen ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Oberflächenverfestigung, bei dem Schrotpartikel die Materialoberfläche beschießen und Druckeigenspannungen implantieren, die einen Teil der Zugspannungen auf der Oberfläche des Wärmeübertragungsrohrs ausgleichen, die Dauerfestigkeit des Werkstücks verbessern und die Spannungskorrosionsempfindlichkeit von rostfreiem Stahl erheblich verringern können. Kugelstrahlen kann den makroskopischen Zustand, das Mikrogefüge, die Härte, die Eigenspannung und die martensitische Umwandlung der Materialoberfläche beeinflussen, was wiederum Auswirkungen auf die Spannungskorrosionsempfindlichkeit des Materials hat. Das Laserstrahlverfahren hat keinen Rückprall und keine Reaktionskraft während des Betriebs, und es gibt keine Rückstände, die den normalen Betrieb der Anlage beeinträchtigen. Es kann eine tiefere Druckspannungsschicht bilden als das herkömmliche Kugelstrahlen und beschädigt die Oberfläche der Bauteile nicht. Es hat einen deutlichen Verstärkungseffekt und eine gute Funktionsfähigkeit. Es gilt als eine Technologie, die im Bereich der Kernenergie eingesetzt werden kann und breite Anwendungsmöglichkeiten bietet.

3.1.2 Kaltbearbeitung

Die Kaltbearbeitung bei der Verarbeitung, Installation und Herstellung von Kernkraftanlagen verändert die innere Mikrostruktur des Materials. So führen beispielsweise Biegen, Schweißen, Schleifen, Stanzen und andere Prozesse bei austenitischem nichtrostendem Stahl zu einer plastischen Verformung des Materials, Versetzungen und Punktdefekte zu Gitterverschiebungen, Korngrenzenorientierung, Versetzungsdichte und anderen Veränderungen. Die Veränderung der lokalen mechanischen Eigenschaften und der Spannungskonzentration des Materials erhöht die Empfindlichkeit von nichtrostendem Stahl gegenüber Spannungsrisskorrosion.

Die Untersuchung zeigt, dass in der simulierten PWR-Primärwasserumgebung die SCC-Wachstumsrate (CGR) mit der Erhöhung des Kaltverformungsgrads des Edelstahls deutlich zunimmt und die IGSCC-Beständigkeit des Edelstahls abnimmt. Arioka et al. untersuchten das SCC-Wachstumsverhalten von kaltverformtem 316er Edelstahl in Lithium-Bor-Hochtemperaturlösung durch Zugversuche. Im Allgemeinen ist die Rissspitze eine Hochspannungszone. Die während der Kaltbearbeitung erzeugten Leerstellen bewegen sich unter dem Einfluss des Spannungsgradienten in Richtung Korngrenze und bewegen sich entlang der Korngrenze zur Hochspannungszone, bilden eine hohe Leerstellendichte in lokalen Bereichen und bilden Löcher vor und um den Riss. Darüber hinaus wiesen Terachi et al. darauf hin, dass die bei der Kaltverformung von Proben aus rostfreiem Stahl 304 und 316 entstehenden Leerstellen und Versetzungen auch die Streckgrenze des Materials erheblich erhöhen können und die Risswachstumsrate entsprechend steigt. Es wird allgemein angenommen, dass die Streckgrenze von Materialien σ zwischen y und CGR

3.1.3 Wärmebehandlung

Werkstoffe aus nichtrostendem Stahl werden in der Regel während des Produktionsprozesses Wärmebehandlungsverfahren wie Mischkristallisation, Sensibilisierung und Alterung unterzogen. Hohe Temperaturen haben einen großen Einfluss auf die Entwicklung des Mikrogefüges und die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe. Nichtrostender Stahl hat unter Glühbedingungen einen Cr-Gehalt von mehr als 13% und weist eine gute Beständigkeit gegen allgemeine und lokale Korrosion auf. Allerdings fällt nichtrostender Stahl, der einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist, aus und scheidet chromreiche Karbide (Cr23C6) an der Korngrenze aus. Das Phänomen der Chromarmut an der Korngrenze ist einer der Hauptgründe für die Verringerung der interkristallinen Korrosionsbeständigkeit und der Spannungskorrosionsbeständigkeit von austenitischem nichtrostendem Stahl. Eine angemessene Alterungsbehandlung kann das Problem des Chrommangels mildern.

Für die Lösung Behandlung bei einer bestimmten Temperatur (wie 1100 ℃), mit der Verlängerung der Lösung Zeit, die Lösung Wirkung der gelösten Atome und Verunreinigungen Atome in 316L Edelstahl ist allmählich ausreichend, die Mikrohärte erhöht, und die Korngröße erhöht. In der Anfangsphase des interkristallinen Korrosionsrisses ist die Auswirkung der verschiedenen Lösungsbehandlungen auf die Korrosionsrate der Probe nicht offensichtlich; in der Risswachstumsperiode zeigten die Proben mit längerer fester Lösungszeit eine deutlich bessere interkristalline Korrosionsbeständigkeit. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der nichtrostende Stahl mit einer Lösungsbehandlung von 0,5~1h bei 1100 ℃ bessere umfassende Eigenschaften aufweist. Im Vergleich zur Lösungsbehandlung haben sich die Korrosionsrate und die Risswachstumsrate des sensibilisierten Edelstahls deutlich erhöht. Offensichtlich ist die Sensibilisierung Behandlung nicht förderlich für die Verbesserung der SCC Widerstand von 316L Edelstahl. Der Sensibilisierungsprozess führt leicht zu Chrommangel an der Korngrenze des rostfreien Stahls 304. Die SCC-Empfindlichkeit wird erhöht und das Auftreten von IGSCC ist wahrscheinlicher.

Rissverhalten von nichtrostendem Stahl

Nichtrostender Stahl wird wegen seiner Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Allerdings ist er unter bestimmten Bedingungen nicht immun gegen Rissbildung. Das Verständnis des Rissverhaltens von rostfreiem Stahl ist entscheidend für seine effektive Nutzung.

Rissbildung kann bei verschiedenen Anwendungen zu erheblichen Problemen führen. Spannungsrisskorrosion ist ein weit verbreitetes Problem, das häufig durch Umweltfaktoren noch verschärft wird. Ingenieure und Materialwissenschaftler müssen sich dieser Herausforderungen bewusst sein.

Verstehen der Eigenschaften und Probleme von Edelstahl

Rostfreier Stahl wird wegen seiner besonderen Eigenschaften wie Festigkeit und Rostbeständigkeit geschätzt. Diese Eigenschaften machen ihn zu einer beliebten Wahl im Bauwesen und in der Fertigung. Dennoch ist es wichtig, die Probleme zu kennen, die auftreten können.

Mehrere Faktoren können die Leistung und Zuverlässigkeit von rostfreiem Stahl beeinflussen. Die Kenntnis dieser Faktoren hilft bei der Entwicklung sicherer und langlebiger Produkte. Probleme wie Rissbildung können die Festigkeit untergraben, wenn sie nicht behoben werden.

Zu den wichtigsten Eigenschaften und Themen gehören:

• Korrosionsbeständigkeit
• Hohe Zugfestigkeit
• Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion
• Einfluss der Umweltbedingungen
• Auswirkungen der Herstellungsprozesse

Häufige Arten von Rissen in rostfreiem Stahl

Bei nichtrostendem Stahl können verschiedene Arten von Rissen auftreten, die jeweils einzigartige Merkmale aufweisen. Die Kenntnis dieser Arten ist entscheidend für die richtige Materialauswahl und Verwendung.

Spannungsrisskorrosion (SCC) tritt häufig bei rostfreiem Stahl in rauen Umgebungen auf. Sie tritt auf, wenn Zugspannungen mit einer korrosiven Atmosphäre, z. B. Chlorideinwirkung, kombiniert werden. Austenitische nichtrostende Stähle sind besonders anfällig.

Ein weiteres Risiko stellt die Wasserstoffversprödung dar, bei der Wasserstoffatome in den Stahl eindringen und ihn spröde und rissanfällig machen. Diese Art der Rissbildung tritt häufig in Hochdruckumgebungen auf.

Häufige Arten von Rissen in rostfreiem Stahl sind:

• Spannungsrisskorrosion (SCC)
• Wasserstoffversprödung
• Ermüdungsrisse durch zyklische Belastung
• Interkristalline Korrosion, die zur Verschlechterung der Struktur führt

Ursachen und beitragende Faktoren zur Rissbildung in Edelstahl

Mehrere Faktoren tragen zum Rissverhalten von nichtrostendem Stahl bei. Das Verständnis dieser Faktoren kann helfen, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen.

Ein wichtiger Faktor ist die beim Schweißen entstandene Restspannung, die zu unbeabsichtigten Zugspannungen führen kann. Bleibt diese Spannung unbehandelt, erhöht sich die Gefahr der Rissbildung unter Umwelteinflüssen.

Hohe Temperaturen können bestehende Schwachstellen noch verschlimmern, insbesondere in chloridreichen Umgebungen.

Dazu tragen unter anderem folgende Faktoren bei:

• Eigenspannung beim Schweißen
• Vorhandensein von Chloriden
• Erhöhte Temperaturen
• Metallurgisches Mikrogefüge

Strategien zur Prävention und Schadensbegrenzung

Die Vermeidung von Rissen in rostfreiem Stahl erfordert eine strategische Materialauswahl und Prozessoptimierung. Die Wahl der richtigen Sorte für bestimmte Bedingungen ist entscheidend für die Risikominimierung.

Auch konstruktive Überlegungen spielen eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Spannungskonzentrationen. Durch eine korrekte Konstruktion kann die Spannung gleichmäßiger verteilt werden, wodurch potenzielle Rissstellen reduziert werden.

Zu den wirksamen Strategien gehören:

• Auswahl der geeigneten Edelstahlsorten
• Optimierung der Konstruktion zur Verringerung der Spannungskonzentration
• Durchführung regelmäßiger Inspektionen und Wartungen

Schlussfolgerung: Die wichtigsten Erkenntnisse für Anwendungen aus Edelstahl

Das Verständnis des Rissverhaltens von nichtrostendem Stahl ist der Schlüssel zur Erhaltung der strukturellen Integrität. Dabei müssen sowohl die Materialeigenschaften als auch die Umweltbedingungen berücksichtigt werden.

Die Umsetzung sachkundiger Strategien kann das Risiko der Rissbildung erheblich verringern. Dies gewährleistet die Haltbarkeit und Sicherheit von Anwendungen aus nichtrostendem Stahl.