Исследование особенностей коррозионного растрескивания под напряжением нержавеющей стали, предназначенной для атомных электростанций, в воде с высокими температурами и высоким давлением

В связи с быстрым развитием промышленности спрос на энергию растёт, а традиционные угольные электростанции приводят к серьёзному загрязнению окружающей среды. Поскольку международное сообщество уделяет всё больше внимания выбросам парниковых газов и глобальному потеплению, Китай включил развитие атомной энергетики в число важных мер по решению экологических проблем. Чернобыльская ядерная авария 1986 года и авария на АЭС «Фукусима» в Японии в 2011 году привели к взрыву, в результате чего произошла крупномасштабная утечка радиоактивных материалов, и вопрос глобальной ядерной безопасности приобрел всё большее значение. В настоящее время типы атомных электростанций, эксплуатируемых в мире, подразделяются на реакторы с легкой водой и реакторы с тяжёлой водой. К реакторам с легкой водой относятся реакторы с водой под давлением (PWR) и реакторы с кипящей водой (BWR). Коррозия конструкционных материалов, особенно коррозионное растрескивание под напряжением (SCC), является одной из основных проблем, влияющих на безопасность оборудования и трубопроводов на атомных электростанциях. Для повышения коррозионной стойкости оборудования атомных электростанций в качестве конструкционных материалов для водоохлаждаемых ядерных реакторов в основном используются никелевые сплавы и аустенитные нержавеющие стали, обладающие хорошей коррозионной стойкостью и механическими свойствами. Превосходная коррозионная стойкость обусловлена главным образом образованием на поверхности материала в коррозионной среде пленки оксида с высоким содержанием хрома (пассивационной пленки).

Среда обслуживания ядерные металлические материалы обычно представляет собой среду с водой, находящуюся под высоким давлением и при высокой температуре, сопровождающуюся определенной степенью радиации. Суровые условия эксплуатации и длительное воздействие приводят к коррозии конструкционных материалов атомных электростанций. Кренирование под напряжением (SCC) в условиях воды с высокой температурой и высоким давлением представляет собой процесс зарождения, распространения и образования трещин, вызванный локальными дефектами под совместным воздействием чувствительных конструкционных материалов, коррозионной среды и напряжений. Как только начинается коррозионное растрескивание под напряжением, оно быстро распространяется по оборудованию и материалам, приводя к выходу компонентов из строя, утечке теплоносителя и даже остановке энергоблока, что непосредственно угрожает безопасной эксплуатации атомных электростанций. Поэтому коррозионное растрескивание под напряжением нержавеющей стали в условиях высокотемпературной и высоконапорной воды на атомных электростанциях стало предметом пристального внимания как в стране, так и за рубежом, особенно в последнее десятилетие, когда расширились сфера применения и спрос на чистую энергию, а также ужесточились требования к безопасной эксплуатации атомных электростанций, международные исследования в области коррозии нержавеющих сталей под напряжением на атомных электростанциях переживают период бурного роста.

Развитие атомной энергетики в Китае началось относительно поздно. В настоящее время большинство действующих и строящихся атомных электростанций оснащены импортными реакторами и используют реакторы с водой под давлением. Соответствующие технологии находятся на ранней стадии развития, фундаментальные исследования в области химии воды отсутствуют или носят недостаточно развитый характер, а практический опыт весьма ограничен. В качестве конструкционных материалов на атомных электростанциях в основном используются нержавеющая сталь марок 304 и 316, сплавы на никелевой основе 600 и 690, присадочный металл для сварки — сплав на никелевой основе 52/152, а также углеродистая сталь. В ходе исследований по предотвращению коррозии и радиационной защите конструкционных материалов атомных электростанций в Китае были изучены и внедрены технологии химии воды, подходящие для отечественных АЭС, с учетом практического опыта зарубежных стран и с учетом конкретных условий Китая.

SCC углеродистой нержавеющей стали, применяемой в атомной энергетике

Благодаря хорошей пластичности, коррозионной стойкости и технологичности нержавеющая сталь широко применяется в основном оборудовании, трубопроводах и сварных соединениях ядерного острова реактора с водой под давлением (PWR). В основном она используется в поверхностном слое корпуса реактора, болтах кожуха внутренних элементов, приводном механизме толкателей, трубопроводах главной системы охлаждения реактора и других деталях. В 1970-х годах были обнаружены единичные случаи коррозии под напряжением на материалах из нержавеющей стали в зоне высокого упрочнения при деформации в основной системе реактора с водой под давлением. Растрескивание, вызванное чисто механическим напряжением, отличается от коррозионного растрескивания под напряжением (SCC) в среде с нормальной температурой. Когда нержавеющая сталь используется в условиях высокотемпературной и высоконапорной водной среды атомной электростанции, она растрескивается даже при чрезвычайно низких напряжениях. Количество трещин невелико, их глубина значительна, ширина невелика, а направление в основном перпендикулярно направлению напряжения. Коррозионное растрескивание под напряжением может быть трансграничным (TGSCC) или межкристаллитным (IGSCC). Поэтому чрезвычайно важно проанализировать влияние различных процессов обработки материалов и параметров химической среды воды на коррозионное поведение нержавеющих сталей в условиях высокотемпературной и высоконапорной водной среды атомных электростанций, а также взаимодействие и синергетический эффект между материалами, окружающей средой и напряжениями-деформациями.

Метод испытания на коррозионную коррозию под напряжением

2.1 Распространенные методы испытаний на чувствительность SCC

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) в конструкционных материалах атомных электростанций приводит к таким проблемам, как остановка реактора и необходимость проведения ремонтных работ. Неспособность своевременно выявить или надлежащим образом устранить эту проблему напрямую сказывается на безопасной и стабильной эксплуатации атомных электростанций. Ученые из России и других стран изучали поведение нержавеющих сталей при коррозионном растрескивании под напряжением, процессы инициации трещин и скорость их роста (CGR) в различных средах с использованием различных методов испытаний.

В соответствии со стандартами GB/T15970-2018 и ASTM E399 образцы для испытаний на коррозионную коррозию включают гладкие образцы, образцы с надрезом и образцы с предварительной трещиной, а методы нагружения — с постоянным смещением, постоянной нагрузкой и медленной скоростью деформации. Метод постоянного смещения предполагает приложение постоянного суммарного смещения к металлическому материалу с помощью приспособления или болта перед началом эксперимента; к таким образцам часто относятся образцы на изгиб, U-образные образцы, C-образные образцы и т. д. Этот метод прост в плане режима нагружения, не требует больших затрат на изготовление зажимного приспособления и подходит для изменения размеров образцов в широком диапазоне, однако соответствующее напряжение не может быть точно количественно определено, а анализ соответствующего напряженного состояния остается неясным. Испытание с медленной скоростью деформации позволяет упростить приложение и расчет напряжений, а также довести образец до полного разрушения для определения ряда параметров, необходимых для оценки чувствительности материала к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC). Однако оборудование для этого относительно сложное, и на определение значения скорости деформации влияет множество факторов. По сравнению с образцами для испытаний на изгиб, этот метод требует использования более толстой крепежной рамы и специального метода нагружения. Современные аналитические и испытательные методы, такие как технология электрохимического шума, позволяют осуществлять мониторинг возникновения и развития локальной коррозии на месте, непрерывно и неразрушающим способом. Коррозионная стойкость металлических материалов при напряжении тесно связана со структурой материала, уровнем напряжения и коррозионной средой. При оценке чувствительности к коррозии под напряжением следует выбирать соответствующие методы испытаний на коррозию под напряжением и типы образцов. Различные методы испытаний могут приводить к разным результатам испытаний.

2.2 Метод испытаний для определения скорости возникновения и распространения трещин, вызванных кристаллической деформацией (SCC)

Методика испытаний металлов на коррозию под напряжением, описанная в вышеуказанных стандартах, в целом применима к оценке чувствительности к коррозии под напряжением (SCC) в обычных условиях, а также служит основой и справочным материалом для проведения испытаний в специальных условиях атомной энергетики, таких как испытание SSRT, испытание с U-образным изгибом, испытание с C-образным кольцом и т. д.; Компактный образец для испытания на растяжение (CT) можно использовать в сочетании с методом падения потенциала постоянного тока (DCPD) для измерения длины роста трещины в реальных условиях с целью определения скорости роста трещины.

В последние годы, учитывая особо суровые условия эксплуатации на атомных электростанциях, характеризующиеся высокими температурами и высоким давлением воды, в Китае были разработаны специальные методы испытаний и соответствующие отраслевые стандарты, такие как T/CSTM 00080-2019 «Испытание на зарождение трещин» и T/CNS 5-2018 «Испытание на скорость роста трещин» и т. д. Данный отраслевой стандарт разработан с учётом существующих отечественных и зарубежных стандартов, а также отечественных методов испытаний, технической документации и практического опыта, что обеспечивает поддержку для бесперебойного, безопасного и эффективного проведения нагрузочных испытаний образцов, онлайн-мониторинга химических параметров воды, управления в режиме реального времени и испытаний на коррозионную коррозию в условиях высокотемпературной и высоконапорной водной среды.

2.3 Метод электрохимических испытаний

Помимо непосредственного исследования поведения металлических материалов при коррозионному растрескиванию (SCC), электрохимия коррозии также является важным методом оценки коррозионной стойкости металлов, измерения скорости коррозии и изучения механизмов коррозии. В Китае также разработаны соответствующие стандарты, такие как GB/T 24196-2009, T/CNS 6-2018 и T/CNS 3-2018.

Факторы, влияющие на содержание твердых частиц (SCC) в воде при высоких температурах и высоком давлении

Поведение нержавеющей стали при коррозионном растрескивании под напряжением в условиях высокотемпературной и высоконапорной водной среды атомной электростанции зависит от комплексного воздействия различных факторов, в основном включающих факторы, связанные с материалом (обработка поверхности, холодная обработка, процесс термообработки и т. д.), механические факторы (предел текучести, остаточные напряжения, коэффициент интенсивности напряжений, нагрузка и т. д.) и гидрохимическую среду (температура, pH, анионы, растворённый кислород и т. д.).

3.1 Существенные факторы

3.1.1 Обработка поверхности

Дефекты поверхности материала и царапины, возникающие в результате обработки, неизбежны в процессе эксплуатации. В ходе испытаний с медленной скоростью деформации (SSRT) Сценини и др. указали, что обработка поверхности в высокотемпературной охлаждающей жидкости играет важную роль в зарождении трещин при коррозионном растрескивании под напряжением (SCC). По сравнению с механической обработкой поверхность образца из нержавеющей стали марки 304L, отполированного оксидной суспензией (OPS), δ в области, прилегающей к границе раздела феррита и аустенита, более подвержена коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC), что делает её более чувствительной к этой коррозии. В моделируемой водной среде первичного контура реактора PWR на поверхности обработанных образцов обычно образуются трансгранулярные трещины, что тесно связано с следами механической обработки. Однако на поверхности хорошо отполированного материала наблюдается лишь несколько трансгранулярных трещин, а морфология трещин в основном межкристаллическая.

Будучи широко применяемым методом упрочнения поверхности, дробеструйная обработка заключается в бомбардировке поверхности материала частицами дроби, что приводит к возникновению остаточного сжимающего напряжения, способного компенсировать часть растягивающего напряжения на поверхности теплообменной трубы, повысить усталостную прочность заготовки и значительно снизить коррозионную чувствительность нержавеющей стали к напряжению. Дробеструйная обработка может влиять на макроскопическое состояние, микроструктуру, твёрдость, остаточные напряжения и мартенситное превращение поверхности материала, а затем — на коррозионную восприимчивость материала под действием напряжений. Технология лазерной дробеструйной обработки не предусматривает использования отскакивающего материала и не создаёт силы отдачи во время работы, а также не оставляет остатков, которые могли бы повлиять на нормальную работу оборудования. Она позволяет формировать слой сжатия большей глубины, чем при обычной дробевой обработке, и не повреждает поверхность деталей. Имеет явный упрочняющий эффект и отличается простотой эксплуатации. Считается технологией, применимой в области атомной энергетики и имеющей широкие перспективы применения.

3.1.2 Холодная обработка

Холодная обработка в процессе обработки, монтажа и изготовления оборудования для атомных электростанций приводит к изменению внутренней микроструктуры материала. Например, гибка, сварка, шлифование, штамповка и другие процессы, применяемые к аустенитной нержавеющей стали, вызывают пластическую деформацию материала, а дислокации и точечные дефекты приводят к скольжению решеток, ориентации границ зерен, изменению плотности дислокаций и другим изменениям. Изменение локальных механических свойств и концентрация напряжений в материале повышают чувствительность нержавеющей стали к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Исследование показывает, что в моделируемой среде первичного контура реактора PWR скорость роста коррозионного растрескивания под напряжением (CGR) значительно возрастает с увеличением степени холодной деформации нержавеющей стали, а стойкость нержавеющей стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в литий-борном растворе (IGSCC) снижается. Ариока и др. исследовали поведение роста SCC холоднодеформированной нержавеющей стали марки 316 в высокотемпературном растворе лития и бора с помощью испытаний на растяжение. Как правило, вершина трещины представляет собой зону высоких напряжений. Дефекты в виде вакансий, возникающие в процессе холодной обработки, под действием градиента напряжений перемещаются к границе зерен и движутся вдоль нее к зоне высоких напряжений, образуя локальные области с высокой плотностью вакансий и создавая углубления впереди трещины и вокруг нее, Появление пустот и высокая плотность вакансий значительно снижают механические свойства на границе зерен, ослабляют энергию связи на границе зерен, создают уязвимое место для роста трещины и значительно ускоряют её рост. Кроме того, Терачи и др. указали, что вакансии и дислокации, возникающие при холодной обработке образцов нержавеющей стали марок 304 и 316, также могут значительно повысить предел текучести материала, в результате чего скорость роста трещины соответственно увеличится. Принято считать, что предел текучести материала σ находится в диапазоне между y и CGR

3.1.3 Термическая обработка

В процессе производства материалы из нержавеющей стали, как правило, подвергаются таким видам термической обработки, как создание твёрдого раствора, сенсибилизация и старение. Высокая температура оказывает значительное влияние на изменение микроструктуры и коррозионную стойкость материалов. Нержавеющая сталь с содержанием хрома более 13% в условиях отжига демонстрирует хорошую стойкость к общей и локальной коррозии. Однако при воздействии высокой температуры в нержавеющей стали на границах зерен выпадают в осадок карбиды с высоким содержанием хрома (Cr23C6). Явление обеднения хрома на границах зерен является одной из основных причин снижения межкристаллитной коррозионной стойкости и стойкости к коррозии под напряжением аустенитной нержавеющей стали. Правильная обработка старением может смягчить проблему обеднения хрома.

При термообработке при определенной температуре (например, 1100 ℃) по мере увеличения времени выдержки атомы растворенного вещества и примесей в нержавеющей стали марки 316L постепенно достигают достаточной степени растворения, микротвердость увеличивается, а размер зерен возрастает. На начальной стадии образования трещин межкристаллитной коррозии влияние различных видов термической обработки на скорость коррозии образца не является очевидным; в период роста трещин образцы с более длительным временем выдержки в твёрдом растворе демонстрировали значительно лучшую стойкость к межкристаллитной коррозии. Результаты экспериментов показывают, что нержавеющая сталь, прошедшая термообработку в твердом растворе в течение 0,5–1 ч при 1100 ℃, обладает лучшими комплексными свойствами. По сравнению с термообработкой в твердом растворе скорость коррозии и скорость роста трещин в сенсибилизированной нержавеющей стали значительно увеличились. Очевидно, что обработка сенсибилизацией не способствует улучшению стойкости нержавеющей стали марки 316L к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC). Процесс сенсибилизации легко приводит к дефициту хрома на границах зерен нержавеющей стали марки 304. Чувствительность к SCC повышается, и вероятность возникновения межкристаллической коррозии под напряжением (IGSCC) увеличивается.

Характеристики растрескивания нержавеющей стали

Нержавеющая сталь ценится за свою долговечность и коррозионную стойкость. Однако при определённых условиях она не застрахована от растрескивания. Понимание механизмов растрескивания нержавеющей стали имеет решающее значение для её эффективного использования.

Растрескивание может приводить к серьезным проблемам в различных областях применения. Коррозионное растрескивание под напряжением — распространенная проблема, которую зачастую усугубляют факторы окружающей среды. Инженеры и специалисты по материалам должны учитывать эти сложности.

Понимание свойств и проблем, связанных с нержавеющей сталью

Нержавеющая сталь ценится за свои уникальные свойства, такие как прочность и устойчивость к ржавчине. Эти качества делают её популярным материалом в строительстве и производстве. Однако очень важно осознавать, какие проблемы могут при этом возникнуть.

На эксплуатационные характеристики и надежность нержавеющей стали могут влиять несколько факторов. Понимание этих факторов помогает создавать более безопасные и долговечные изделия. Такие проблемы, как растрескивание, могут снизить прочность материала, если не принять соответствующие меры.

К ключевым свойствам и вопросам относятся:

• Устойчивость к коррозии
• Высокая прочность на разрыв
• Восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением
• Влияние условий окружающей среды
• Влияние производственных процессов

Распространенные виды трещин в нержавеющей стали

В нержавеющей стали могут возникать различные виды трещин, каждый из которых имеет свои особенности. Понимание этих видов имеет решающее значение для правильного выбора и использования материала.

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) часто возникает в нержавеющей стали, эксплуатируемой в агрессивных средах. Это происходит, когда растягивающее напряжение сочетается с воздействием коррозионной среды, например, хлоридов. Особенно подвержены этому явлению аустенитные нержавеющие стали.

Еще одним риском является водородное охрупчивание, при котором атомы водорода проникают в сталь, делая ее хрупкой и подверженной растрескиванию. Такой вид растрескивания часто возникает в условиях высокого давления.

К распространенным видам растрескивания нержавеющей стали относятся:

• Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC)
• Водородное охрупчивание
• Усталостное растрескивание под воздействием циклических нагрузок
• Межкристаллическая коррозия, приводящая к разрушению конструкции

Причины и факторы, способствующие растрескиванию нержавеющей стали

На растрескивание нержавеющей стали влияют несколько факторов. Понимание этих факторов может помочь в принятии профилактических мер.

Одним из основных факторов являются остаточные напряжения, возникающие в результате сварки, которые могут приводить к появлению нежелательных растягивающих напряжений. Если не принять меры по устранению этих напряжений, это повышает вероятность появления трещин под воздействием внешних факторов.

Высокие температуры могут усугубить уже существующие уязвимости, особенно в средах с высоким содержанием хлоридов.

К числу факторов, влияющих на это, относятся:

• Остаточные напряжения, возникающие при сварке
• Наличие хлоридов
• Повышенные температуры
• Металлургическая микроструктура

Стратегии предотвращения и смягчения последствий

Предотвращение растрескивания нержавеющей стали предполагает продуманный подбор материалов и оптимизацию технологического процесса. Выбор подходящей марки стали для конкретных условий имеет решающее значение для минимизации рисков.

Конструктивные решения также играют важнейшую роль в предотвращении концентрации напряжений. Правильная конструкция позволяет более равномерно распределить напряжения, тем самым сокращая количество потенциальных мест образования трещин.

К эффективным стратегиям относятся:

• Выбор подходящих марок нержавеющей стали
• Оптимизация конструкции с целью снижения концентрации напряжений
• Проведение регулярных проверок и технического обслуживания

Заключение: основные выводы по применению нержавеющей стали

Понимание механизмов растрескивания нержавеющей стали имеет ключевое значение для обеспечения целостности конструкции. Для этого необходимо учитывать как свойства материала, так и условия окружающей среды.

Реализация продуманных стратегий может значительно снизить риск появления трещин. Это обеспечивает долговечность и безопасность изделий из нержавеющей стали.