Studi tentang Perilaku Retak Korosi Tegangan Baja Tahan Karat untuk Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir dalam Air Bersuhu dan Bertekanan Tinggi

Dengan pesatnya perkembangan industri, permintaan energi meningkat, dan pembangkit listrik tenaga batu bara tradisional menyebabkan pencemaran lingkungan yang serius. Dengan komunitas internasional yang semakin memperhatikan emisi gas rumah kaca dan pemanasan iklim, Tiongkok telah mendaftarkan pengembangan tenaga nuklir sebagai salah satu langkah penting untuk menyelesaikan masalah lingkungan. Kecelakaan nuklir Chernobyl pada tahun 1986 dan kecelakaan nuklir Fukushima di Jepang pada tahun 2011 memicu ledakan, yang mengakibatkan kebocoran bahan nuklir radioaktif berskala besar, dan keselamatan nuklir global menjadi semakin penting. Saat ini, jenis pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi di dunia dibagi menjadi reaktor air ringan dan reaktor air berat. Reaktor air ringan meliputi reaktor air bertekanan (PWR) dan reaktor air mendidih (BWR). Korosi pada material struktural, terutama retak korosi tegangan (SCC), merupakan masalah utama yang mempengaruhi keselamatan peralatan dan jaringan pipa pada PLTN. Untuk meningkatkan ketahanan korosi peralatan tenaga nuklir, sebagian besar bahan struktural yang digunakan dalam reaktor nuklir berpendingin air adalah paduan berbasis nikel dan baja tahan karat austenitik dengan ketahanan korosi dan sifat mekanik yang baik. Ketahanan korosi yang unggul terutama disebabkan oleh pembentukan film oksida kaya kromium (film pasivasi) pada permukaan material dalam media korosif.

Lingkungan layanan dari bahan logam nuklir biasanya suhu tinggi dan lingkungan air bertekanan tinggi, disertai dengan tingkat radiasi tertentu. Lingkungan layanan yang keras dan paparan jangka panjang membuat bahan struktural pembangkit listrik tenaga nuklir dalam keadaan korosif. SCC pada suhu tinggi dan air bertekanan tinggi mengacu pada proses inisiasi retak, perambatan dan keretakan yang disebabkan oleh cacat lokal di bawah akselerasi bersama bahan struktural sensitif, media korosif dan stres. Setelah SCC dimulai, SCC akan meluas dengan cepat pada peralatan dan material, yang menyebabkan kegagalan komponen, kebocoran cairan pendingin, dan bahkan penghentian unit, yang secara langsung mengancam operasi pembangkit listrik tenaga nuklir yang aman. Oleh karena itu, korosi tegangan baja tahan karat pada suhu tinggi dan lingkungan air bertekanan tinggi pada pembangkit listrik tenaga nuklir telah menjadi fokus perhatian di dalam dan luar negeri, terutama dalam dekade terakhir, dengan peningkatan aplikasi dan permintaan energi bersih serta peningkatan tingkat keparahan persyaratan untuk pengoperasian yang aman pembangkit listrik tenaga nuklir, penelitian internasional tentang korosi tegangan pada bahan baja tahan karat pada pembangkit listrik tenaga nuklir sedang dalam masa pertumbuhan yang cepat.

Industri tenaga nuklir Cina dimulai relatif terlambat. Saat ini, sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir yang sedang beroperasi dan dibangun merupakan reaktor impor dan menggunakan reaktor air bertekanan. Teknologi yang relevan belum matang, penelitian dasar tentang kimia air kurang dan lemah, dan pengalaman praktisnya sedikit. Bahan struktural yang digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir terutama baja tahan karat 304 dan 316, paduan dasar nikel 600 dan 690, logam las paduan dasar nikel 52/152 dan baja karbon. Penelitian tentang pencegahan korosi dan proteksi radiasi bahan struktural pembangkit listrik tenaga nuklir di Cina telah mengeksplorasi dan menerapkan teknologi kimia air yang sesuai untuk pembangkit listrik tenaga nuklir dalam negeri sambil memanfaatkan pengalaman praktis negara-negara asing dan menggabungkannya dengan situasi aktual di Cina.

SCC dari baja tahan karat tenaga nuklir

Karena plastisitasnya yang baik, ketahanan terhadap korosi dan kinerja pemrosesan, baja tahan karat banyak digunakan pada peralatan utama, pipa dan lasan di pulau nuklir PWR. Hal ini terutama digunakan pada lapisan permukaan bejana tekan reaktor, baut selubung bagian dalam, mekanisme penggerak batang dorong, pipa sistem pendingin reaktor utama dan bagian lainnya. Pada tahun 1970-an, contoh-contoh terbatas korosi tegangan ditemukan pada material baja tahan karat di daerah pengerasan regangan tinggi pada sistem utama reaktor air bertekanan. Retak yang disebabkan oleh tekanan mekanis murni berbeda dengan SCC pada media suhu normal. Ketika baja tahan karat digunakan di lingkungan air bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi di pembangkit listrik tenaga nuklir, baja tahan karat akan retak bahkan di bawah kondisi tekanan yang sangat rendah. Jumlah retakan kecil, kedalamannya dalam, lebarnya sempit, dan arahnya pada dasarnya tegak lurus dengan arah tegangan. SCC dapat berupa transgranular (TGSCC) atau intergranular (IGSCC). Oleh karena itu, sangat penting untuk menganalisis pengaruh proses pemrosesan material yang berbeda dan parameter lingkungan kimia air terhadap perilaku korosi tegangan material baja tahan karat pada suhu tinggi dan air bertekanan tinggi dari pembangkit listrik tenaga nuklir, serta interaksi dan sinergi material, lingkungan, dan regangan tegangan.

Metode uji korosi tegangan

2.1 Metode uji sensitivitas SCC yang umum

SCC pada material struktural pembangkit listrik tenaga nuklir akan menyebabkan masalah seperti penghentian dan pemeliharaan. Kegagalan menemukan atau menanganinya dengan benar akan secara langsung mempengaruhi operasi PLTN yang aman dan stabil. Para ahli dalam dan luar negeri telah mempelajari perilaku retak korosi tegangan, inisiasi retak dan laju pertumbuhan retak (CGR) material baja tahan karat di lingkungan yang berbeda dengan metode pengujian yang berbeda.

Dalam kombinasi dengan standar GB / T15970-2018 dan ASTM E399, spesimen uji korosi tegangan meliputi spesimen halus, spesimen berlekuk, dan spesimen yang sudah retak, dan metode pembebanan meliputi perpindahan konstan, beban konstan, dan laju regangan lambat. Metode perpindahan konstan menerapkan perpindahan total konstan ke bahan logam melalui perlengkapan atau baut sebelum percobaan, sering kali termasuk spesimen lentur, spesimen berbentuk U, spesimen berbentuk C, dll. Metode ini sederhana dalam mode pemuatan, murah dalam memperbaiki perlengkapan, dan cocok untuk perubahan ukuran spesimen dalam kisaran yang luas, tetapi tegangan yang sesuai tidak dapat diukur secara akurat, dan analisis status tegangan yang sesuai tidak jelas. Uji laju regangan lambat dapat menyederhanakan aplikasi dan perhitungan tegangan, dan membuat spesimen benar-benar patah untuk menentukan beberapa parameter untuk mengevaluasi sensitivitas SCC material. Namun, peralatannya relatif rumit, dan ada banyak faktor yang mempengaruhi penentuan nilai laju regangan. Dibandingkan dengan spesimen lentur, dibutuhkan rangka pengikat yang lebih tebal dan metode pembebanan. Metode analisis dan pengujian modern seperti teknologi kebisingan elektrokimia dapat memberikan pemantauan inisiasi dan pengembangan korosi lokal secara in situ, terus menerus, dan tidak rusak. Performa korosi tegangan dari material logam berkaitan erat dengan struktur material, tingkat tegangan dan media korosi. Saat mengevaluasi sensitivitas korosi tegangan, metode uji korosi tegangan dan jenis sampel yang sesuai harus dipilih. Metode pengujian yang berbeda dapat menghasilkan hasil pengujian yang berbeda.

2.2 Metode pengujian inisiasi dan laju perambatan retak SCC

Metode uji korosi tegangan logam dalam standar di atas umumnya berlaku untuk uji sensitivitas SCC dalam kondisi konvensional, dan juga memberikan dukungan dan referensi untuk pengujian di lingkungan khusus tenaga nuklir, seperti uji SSRT, uji U-bend, uji C-ring, dll.; Spesimen tarik kompak (CT) dapat digabungkan dengan metode penurunan potensial DC (DCPD) untuk mengukur panjang pertumbuhan retak in situ untuk menentukan laju pertumbuhan retak.

Dalam beberapa tahun terakhir, mengingat suhu tinggi yang sangat keras dan lingkungan air bertekanan tinggi dari pembangkit listrik tenaga nuklir, Cina telah merancang metode pengujian khusus dan mengembangkan standar kelompok yang relevan, seperti T / CSTM 00080-2019 tentang uji inisiasi retak, T / CNS 5-2018 tentang uji laju pertumbuhan retak, dll. Standar kelompok ditentukan dalam kombinasi dengan standar yang ada di dalam dan luar negeri serta metode pengujian domestik, dokumen teknis dan pengalaman praktis, memberikan dukungan untuk kelancaran, keamanan dan efektifitas pemuatan sampel, pemantauan parameter kimia air secara online, kontrol waktu nyata dan uji korosi tegangan pada lingkungan air bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi.

2.3 Metode uji elektrokimia

Selain menguji langsung perilaku SCC pada material logam, elektrokimia korosi juga merupakan metode penting untuk mengevaluasi ketahanan korosi logam, mengukur laju korosi, dan mempelajari mekanisme korosi. China juga telah merumuskan standar yang relevan, seperti GB/T 24196-2009, T/CNS 6-2018 dan T/CNS 3-2018.

Faktor-faktor yang mempengaruhi SCC pada air bersuhu dan bertekanan tinggi

Perilaku korosi tegangan baja tahan karat pada suhu tinggi dan lingkungan air bertekanan tinggi pembangkit listrik tenaga nuklir tunduk pada pengaruh komprehensif dari berbagai faktor, terutama termasuk faktor material (perlakuan permukaan, pemrosesan dingin, proses perlakuan panas, dll.), Faktor mekanis (kekuatan luluh, tegangan sisa, faktor intensitas tegangan, beban, dll.) dan lingkungan hidrokimia (suhu, pH, anion, oksigen terlarut, dll.).

3.1 Faktor material

3.1.1 Perawatan permukaan

Cacat dan goresan permukaan material yang disebabkan oleh pemrosesan tidak dapat dihindari selama operasi. Melalui uji laju regangan lambat (SSRT), Scenini et al. menunjukkan bahwa perlakuan permukaan dalam pendingin suhu tinggi memainkan peran penting dalam inisiasi retak SCC. Dibandingkan dengan pemrosesan mekanis, permukaan sampel baja tahan karat 304L yang dipoles dengan suspensi oksida (OPS) δ Area di dekat antarmuka ferit / austenit lebih rentan terhadap SCC, yang membuatnya lebih sensitif terhadap korosi tegangan. Dalam lingkungan air simulasi sirkuit primer PWR, retakan transgranular biasanya terbentuk pada permukaan sampel yang dikerjakan, yang memiliki hubungan erat dengan bekas pengerjaan. Namun, hanya ada beberapa retakan transgranular pada permukaan material yang dipoles dengan baik, dan morfologi retakan sebagian besar bersifat intergranular.

Sebagai proses penguatan permukaan yang banyak digunakan, shot peening menggunakan partikel tembakan untuk membombardir permukaan material dan menanamkan tegangan tekan sisa, yang dapat mengimbangi sebagian tegangan tarik pada permukaan tabung perpindahan panas, meningkatkan kekuatan kelelahan benda kerja, dan secara signifikan mengurangi sensitivitas korosi tegangan pada baja tahan karat. Shot peening dapat mempengaruhi keadaan makroskopis, struktur mikro, kekerasan, tegangan sisa, transformasi martensit permukaan material, dan kemudian mempengaruhi sensitivitas korosi tegangan material. Teknologi laser shot peening tidak memiliki media pantulan dan gaya reaksi selama operasi, dan tidak ada residu yang mempengaruhi pengoperasian normal peralatan. Ini dapat membentuk lapisan tegangan tekan yang lebih dalam dari pada shot peening biasa, dan tidak merusak permukaan komponen. Ini memiliki efek penguatan dan pengoperasian yang jelas. Ini dianggap sebagai teknologi yang dapat diterapkan di bidang tenaga nuklir dan memiliki prospek aplikasi yang luas.

3.1.2 Pekerjaan dingin

Pengerjaan dingin dalam proses pengolahan, pemasangan dan pembuatan peralatan tenaga nuklir akan mengubah struktur mikro internal material. Misalnya, proses pembengkokan, pengelasan, penggilingan, pencetakan dan proses lain dari baja tahan karat austenitik akan menyebabkan deformasi plastis pada material, dislokasi dan cacat titik akan menyebabkan pergeseran kisi, orientasi batas butir, kepadatan dislokasi dan perubahan lainnya. Perubahan sifat mekanik lokal dan konsentrasi tegangan material akan meningkatkan sensitivitas retak korosi tegangan pada baja tahan karat.

Penelitian ini menunjukkan bahwa dalam lingkungan air primer PWR yang disimulasikan, laju pertumbuhan SCC (CGR) meningkat secara signifikan dengan meningkatnya derajat pengerjaan dingin baja tahan karat, dan ketahanan IGSCC baja tahan karat menurun. Arioka dkk. mempelajari perilaku pertumbuhan SCC dari baja tahan karat 316 yang dikerjakan secara dingin dalam larutan lithium boron suhu tinggi melalui eksperimen tarik. Umumnya, ujung retak adalah zona tegangan tinggi. Cacat kekosongan yang dihasilkan selama pemrosesan dingin akan bergerak menuju batas butir di bawah pengaruh gradien tegangan, dan bergerak di sepanjang batas butir ke zona tegangan tinggi, membentuk kepadatan kekosongan yang tinggi di area lokal, dan membentuk lubang di bagian depan dan di sekitar retakan, Munculnya lubang dan kerapatan kekosongan yang tinggi secara signifikan mengurangi sifat mekanik di batas butir, melemahkan energi pengikatan di batas butir, memberikan posisi yang lemah untuk pertumbuhan retakan, dan sangat mempercepat pertumbuhan retakan. Selain itu, Terachi dkk. menunjukkan bahwa kekosongan dan dislokasi yang dihasilkan selama pengerjaan dingin sampel baja tahan karat 304 dan 316 juga dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan luluh material, dan laju pertumbuhan retak akan meningkat. Secara umum diyakini bahwa kekuatan luluh material σ Antara y dan CGR

3.1.3 Perlakuan panas

Material baja tahan karat umumnya mengalami proses perlakuan panas seperti larutan padat, sensitisasi, dan penuaan dalam proses produksi. Suhu tinggi memiliki dampak besar pada evolusi struktur mikro dan ketahanan korosi material. Baja tahan karat memiliki kandungan Cr lebih dari 13% dalam kondisi anil, menunjukkan ketahanan yang baik terhadap korosi umum dan korosi lokal. Namun, baja tahan karat yang terpapar pada lingkungan bersuhu tinggi akan mengendapkan dan mengendapkan karbida kaya kromium (Cr23C6) pada batas butir. Fenomena miskin kromium pada batas butir adalah salah satu alasan utama penurunan ketahanan korosi intergranular dan ketahanan korosi tegangan pada baja tahan karat austenitik. Perawatan penuaan yang tepat dapat meringankan masalah miskin kromium.

Untuk perlakuan larutan pada suhu tertentu (seperti 1100 ℃), dengan perpanjangan waktu larutan, efek larutan atom terlarut dan atom pengotor dalam baja tahan karat 316L secara bertahap cukup memadai, kekerasan mikro meningkat, dan ukuran butir meningkat. Pada tahap awal retak korosi intergranular, pengaruh perlakuan larutan yang berbeda terhadap laju korosi sampel tidak terlihat jelas; Pada periode pertumbuhan retak, sampel dengan waktu larutan padat yang lebih lama menunjukkan ketahanan korosi intergranular yang jauh lebih baik. Hasil percobaan menunjukkan bahwa baja tahan karat dengan perlakuan larutan 0,5 ~ 1 jam pada suhu 1100 ℃ memiliki sifat komprehensif yang lebih baik. Dibandingkan dengan perlakuan larutan, laju korosi dan laju pertumbuhan retak baja tahan karat peka meningkat secara signifikan. Jelas, perlakuan sensitisasi tidak kondusif untuk peningkatan ketahanan SCC baja tahan karat 316L. Proses sensitisasi mudah menyebabkan kekurangan kromium pada batas butir baja tahan karat 304. Sensitivitas SCC meningkat, dan IGSCC lebih mungkin terjadi.

Perilaku Retak Baja Tahan Karat

Baja tahan karat dihargai karena daya tahan dan ketahanannya terhadap korosi. Namun, baja tahan karat tidak kebal terhadap keretakan dalam kondisi tertentu. Memahami perilaku keretakan baja tahan karat sangat penting untuk penggunaan yang efektif.

Retak dapat menyebabkan masalah yang signifikan dalam berbagai aplikasi. Retak korosi tegangan adalah masalah umum, yang sering kali diperburuk oleh faktor lingkungan. Para insinyur dan ilmuwan material harus menyadari tantangan ini.

Memahami Sifat dan Masalah Baja Tahan Karat

Baja tahan karat dihargai karena sifatnya yang berbeda, seperti kekuatan dan ketahanan terhadap karat. Sifat-sifat ini menjadikannya pilihan populer dalam konstruksi dan manufaktur. Namun, sangat penting untuk mengenali masalah yang dapat timbul.

Beberapa faktor dapat mempengaruhi kinerja dan keandalan baja tahan karat. Memahami elemen-elemen ini membantu dalam merancang produk yang lebih aman dan tahan lama. Masalah seperti keretakan dapat merusak kekuatannya jika tidak ditangani.

Properti dan isu-isu utama meliputi:

• Ketahanan korosi
• Kekuatan tarik tinggi
• Kerentanan terhadap retak korosi tegangan
• Pengaruh kondisi lingkungan
• Dampak dari proses manufaktur

Jenis Keretakan Umum pada Baja Tahan Karat

Baja tahan karat dapat mengalami berbagai jenis keretakan, masing-masing dengan karakteristik yang unik. Memahami jenis-jenis ini sangat penting untuk pemilihan dan penggunaan material yang tepat.

Retak korosi tegangan (SCC) sering kali memengaruhi baja tahan karat di lingkungan yang keras. Hal ini terjadi ketika tegangan tarik dikombinasikan dengan atmosfer korosif, seperti paparan klorida. Baja tahan karat austenitik sangat rentan.

Penggetasan hidrogen merupakan risiko lain, di mana atom hidrogen menyerang baja, membuatnya rapuh dan rentan terhadap keretakan. Jenis keretakan ini sering terjadi di lingkungan bertekanan tinggi.

Jenis umum keretakan baja tahan karat meliputi:

• Retak korosi tegangan (SCC)
• Penggetasan hidrogen
• Retak fatik akibat beban siklik
• Korosi antar butir yang menyebabkan degradasi struktural

Penyebab dan Faktor Penyebab Keretakan Baja Tahan Karat

Beberapa faktor berkontribusi terhadap perilaku retak pada baja tahan karat. Memahami hal ini dapat membantu dalam mengambil tindakan pencegahan.

Kontributor utama adalah tegangan sisa dari pengelasan, yang dapat menyebabkan tegangan tarik yang tidak diinginkan. Tegangan ini, jika tidak ditangani, akan meningkatkan kemungkinan retak akibat pengaruh lingkungan.

Suhu tinggi dapat memperburuk kerentanan yang ada, terutama di lingkungan yang kaya akan klorida.

Faktor-faktor yang berkontribusi meliputi:

• Tegangan sisa dari pengelasan
• Adanya klorida
• Temperatur tinggi
• Struktur mikro metalurgi

Strategi Pencegahan dan Mitigasi

Mencegah keretakan baja tahan karat melibatkan pemilihan material yang strategis dan pengoptimalan proses. Memilih grade yang tepat untuk kondisi tertentu sangat penting untuk meminimalkan risiko.

Pertimbangan desain juga memainkan peran penting dalam mencegah konsentrasi tegangan. Desain yang tepat dapat mendistribusikan tegangan secara lebih merata, sehingga mengurangi potensi keretakan.

Strategi yang efektif meliputi:

• Memilih kualitas baja tahan karat yang sesuai
• Mengoptimalkan desain untuk mengurangi konsentrasi tegangan
• Melakukan inspeksi dan pemeliharaan rutin

Kesimpulan: Kesimpulan Utama untuk Aplikasi Baja Tahan Karat

Memahami perilaku retak baja tahan karat adalah kunci untuk menjaga integritas struktural. Hal ini membutuhkan perhatian terhadap sifat material dan kondisi lingkungan.

Menerapkan strategi yang tepat dapat secara signifikan mengurangi risiko retak. Hal ini memastikan daya tahan dan keamanan aplikasi baja tahan karat.