Дослідження поведінки корозійного розтріскування нержавіючої сталі для атомних електростанцій під впливом корозії під напругою у воді високої температури та високого тиску

Зі швидким розвитком промисловості зростає попит на енергію, а традиційні вугільні електростанції спричиняють серйозне забруднення навколишнього середовища. Оскільки міжнародне співтовариство приділяє все більше уваги викидам парникових газів та потеплінню клімату, Китай назвав розвиток ядерної енергетики одним із важливих заходів для вирішення екологічних проблем. Аварія на Чорнобильській АЕС у 1986 році та аварія на Фукусімі-1 у Японії у 2011 році спричинили вибух, що призвело до масштабного витоку радіоактивних ядерних матеріалів, і глобальна ядерна безпека набуває все більшого значення. Наразі типи атомних електростанцій, що працюють у світі, поділяються на легководні та важководні реактори. Легководні реактори включають реактори з водою під тиском (PWR) та реактори з киплячою водою (BWR). Корозія конструкційних матеріалів, особливо корозійне розтріскування під напругою (SCC), є основною проблемою, що впливає на безпеку обладнання та трубопроводів на атомних електростанціях. Для покращення корозійної стійкості обладнання для ядерної енергетики більшість конструкційних матеріалів, що використовуються у водоохолоджуваних ядерних реакторах, - це сплави на основі нікелю та аустенітні нержавіючі сталі з хорошою корозійною стійкістю та механічними властивостями. Чудова корозійна стійкість зумовлена головним чином утворенням на поверхні матеріалу в агресивному середовищі оксидної плівки, багатої на хром (пасиваційної плівки).

Сервісне середовище ядерні металеві матеріали Зазвичай це середовище з високою температурою та високим тиском води, що супроводжується певним ступенем радіації. Суворі умови експлуатації та тривалий вплив перетворюють конструкційні матеріали атомних електростанцій на корозійні. Корозія під напруженням (SCC) у середовищі з високою температурою та високим тиском води відноситься до процесу зародження, поширення та розтріскування, спричинених локальними дефектами під спільним прискоренням чутливих конструкційних матеріалів, агресивних середовищ та напружень. Після початку SCC вона швидко поширюється на обладнання та матеріали, що призводить до виходу з ладу компонентів, витоку теплоносія та навіть зупинки блоку, що безпосередньо загрожує безпеці експлуатації атомних електростанцій. Тому корозія під напруженням нержавіючої сталі в середовищі з високою температурою та високим тиском води атомних електростанцій опинилася в центрі уваги в країні та за кордоном, особливо в останнє десятиліття. З покращенням застосування та попиту на чисту енергію та зростанням вимог до безпечної експлуатації атомних електростанцій, міжнародні дослідження корозії під напруженням матеріалів з нержавіючої сталі на атомних електростанціях переживають період швидкого зростання.

China’s nuclear power industry started relatively late. At present, most of the nuclear power plants in operation and construction are imported reactors and use pressurized water reactors. The relevant technology is immature, the basic research on water chemistry is lacking and weak, and the practical experience is few. The structural materials used in nuclear power plants are mainly 304 and 316 stainless steel, nickel base alloy 600 and 690, welding metal nickel base 52/152 alloy and carbon steel. The research on corrosion prevention and radiation protection of structural materials of nuclear power plants in China has explored and applied the water chemistry technology suitable for domestic nuclear power plants while drawing on the practical experience of foreign countries and combining with the actual situation in China.

СБК нержавіючої сталі для атомної енергетики

Завдяки своїй добрій пластичності, стійкості до корозії та технологічним характеристикам, нержавіюча сталь широко використовується в основному обладнанні, трубах та зварних швах ядерного острова PWR. Вона використовується в основному в поверхневому шарі корпусу реактора, болтах кожуха внутрішніх компонентів, механізмі приводу штовхача, трубах головної системи теплоносія реактора та інших деталях. У 1970-х роках було виявлено обмежену кількість прикладів корозії під напругою на матеріалах з нержавіючої сталі в зоні високого зміцнення деформації головної системи реактора з водою під тиском. Розтріскування, спричинене чисто механічним напруженням, відрізняється від корозії під напругою (SCC) при нормальній температурі. Коли нержавіюча сталь використовується в середовищі з високою температурою та водою під високим тиском атомної електростанції, вона розтріскується навіть за умов надзвичайно низьких напружень. Кількість тріщин невелика, глибина велика, ширина вузька, а напрямок практично перпендикулярний напрямку напружень. SCC може бути транскристалічним (TGSCC) або міжкристалічним (IGSCC). Тому дуже важливо проаналізувати вплив різних процесів обробки матеріалів та параметрів хімічного середовища води на корозійну поведінку матеріалів з нержавіючої сталі під напруженням у воді високої температури та високого тиску атомних електростанцій, а також взаємодію та синергію матеріалів, середовища та напруження та деформації.

Метод випробування на корозію під напругою

2.1 Загальні методи випробування чутливості до дрібнозернистого покриття (SCC)

Корозійне розтріскування під напругою (SCC) у конструкційних матеріалах атомних електростанцій може спричинити такі проблеми, як зупинка та технічне обслуговування. Нездатність виявити або належним чином усунути цю проблему безпосередньо вплине на безпечну та стабільну роботу атомних електростанцій. Вітчизняні та зарубіжні вчені вивчали поведінку корозійного розтріскування під напругою, виникнення тріщин та швидкість росту тріщин (CGR) матеріалів з нержавіючої сталі в різних середовищах за допомогою різних методів випробувань.

У поєднанні зі стандартами GB/T15970-2018 та ASTM E399, зразки для випробувань на корозію під напругою включають гладкі зразки, зразки з надрізами та зразки з попередніми тріщинами, а методи навантаження включають постійне переміщення, постійне навантаження та повільну швидкість деформації. Метод постійного переміщення застосовує постійне загальне переміщення до металевого матеріалу через кріплення або болт перед експериментом, часто включаючи зразок на згинання, U-подібний зразок, C-подібний зразок тощо. Цей метод простий у режимі навантаження, дешевий у фіксації кріплення та підходить для зміни розміру зразка в широкому діапазоні, але відповідне напруження не може бути точно кількісно визначено, а аналіз відповідного напруженого стану нечіткий. Випробування на повільну швидкість деформації може спростити застосування та розрахунок напруження, а також призвести до повного руйнування зразка для визначення деяких параметрів для оцінки чутливості матеріалу до корозії під напругою. Однак обладнання є відносно складним, і існує багато факторів, що впливають на визначення значення швидкості деформації. Порівняно зі зразком на згинання, він вимагає товстішої зв'язуючої рами та методу навантаження. Сучасні аналітичні та випробувальні методи, такі як технологія електрохімічного шуму, можуть забезпечити безперервний та неруйнівний моніторинг локального початку та розвитку корозії in situ. Характеристики металевих матеріалів до корозії під напругою тісно пов'язані зі структурою матеріалу, рівнем напруження та середовищем корозії. Під час оцінки чутливості до корозії під напругою слід вибирати відповідні методи випробувань на корозію під напругою та типи зразків. Різні методи випробувань можуть призвести до різних результатів випробувань.

2.2 Метод випробування на зародження та швидкість поширення тріщин у підземному шарі (SCC)

Метод випробування металу на корозію під напругою, описаний у вищезазначених стандартах, загалом застосовується для випробування чутливості до корозії під напругою за звичайних умов, а також надає підтримку та посилання для випробувань у спеціальному середовищі ядерної енергетики, таких як випробування SSRT, U-подібне вигинання, C-подібне кільце тощо; Зразок для компактного розтягу (CT) може бути поєднаний з методом падіння потенціалу постійного струму (DCPD) для вимірювання довжини росту тріщини in situ з метою визначення швидкості росту тріщини.

В останні роки, з огляду на особливо суворі умови експлуатації атомних електростанцій, пов'язані з високою температурою та високим тиском води, Китай розробив спеціальні методи випробувань та відповідні групові стандарти, такі як T/CSTM 00080-2019 щодо випробувань на утворення тріщин, T/CNS 5-2018 щодо випробувань на швидкість росту тріщин тощо. Груповий стандарт визначається в поєднанні з існуючими стандартами в країні та за кордоном, а також вітчизняними методами випробувань, технічною документацією та практичним досвідом, забезпечуючи підтримку для безперебійного, безпечного та ефективного проведення завантаження зразків, онлайн-моніторингу хімічних параметрів води, контролю в режимі реального часу та випробувань на корозію під напругою в умовах високої температури та високого тиску води.

2.3 Електрохімічний метод випробувань

Окрім безпосереднього тестування поведінки металевих матеріалів під дією струмового навантаження (SCC), корозійна електрохімія також є важливим методом для оцінки корозійної стійкості металів, вимірювання швидкості корозії та вивчення механізму корозії. Китай також сформулював відповідні стандарти, такі як GB/T 24196-2009, T/CNS 6-2018 та T/CNS 3-2018.

Фактори, що впливають на щільність утворення шару шару в умовах високої температури та тиску води

Корозійна поведінка нержавіючої сталі під напруженням у середовищі води під високим тиском та високою температурою на атомній електростанції залежить від комплексного впливу різних факторів, зокрема, від матеріальних (обробка поверхні, холодна обробка, процес термічної обробки тощо), механічних факторів (межа текучості, залишкові напруження, коефіцієнт інтенсивності напружень, навантаження тощо) та гідрохімічного середовища (температура, pH, аніон, розчинений кисень тощо).

3.1 Матеріальні фактори

3.1.1 Обробка поверхні

Дефекти поверхні матеріалу та подряпини, спричинені обробкою, неминучі під час експлуатації. За допомогою випробування на повільну швидкість деформації (SSRT) Сценіні та ін. зазначили, що обробка поверхні у високотемпературному охолоджуючому рідині відіграє важливу роль у виникненні корозії під дією напруги (SCC). Порівняно з механічною обробкою, поверхня зразка нержавіючої сталі 304L, полірованого оксидною суспензією (OPS) δ, область поблизу межі фериту/аустеніту більш схильна до SCC, що робить її більш чутливою до корозії під напругою. У модельованому водному середовищі першого контуру PWR на поверхні оброблених зразків зазвичай утворюються транскристалічні тріщини, що має хороший зв'язок зі слідами обробки. Однак на поверхні добре відполірованого матеріалу є лише кілька транскристалічних тріщин, а морфологія тріщин переважно міжкристалічна.

Як широко використовуваний процес зміцнення поверхні, дробоструминне зміцнення використовує частинки дробу для бомбардування поверхні матеріалу та імплантації залишкових стискаючих напружень, що може компенсувати частину розтягувальних напружень на поверхні теплообмінної трубки, покращити втомну міцність заготовки та значно зменшити чутливість нержавіючої сталі до корозії під напругою. Дробоструминне зміцнення може впливати на макроскопічний стан, мікроструктуру, твердість, залишкові напруження, мартенситне перетворення поверхні матеріалу, а потім впливати на чутливість матеріалу до корозії під напругою. Технологія лазерного дробоструминного зміцнення не має середовища відскоку та сили реакції під час роботи, і не залишається залишків, які впливають на нормальну роботу обладнання. Вона може утворювати глибший шар стискаючих напружень, ніж звичайне дробоструминне зміцнення, і не пошкоджує поверхню компонентів. Вона має очевидний зміцнювальний ефект та працездатність. Вона вважається технологією, яка може бути застосована в галузі ядерної енергетики та має широкі перспективи застосування.

3.1.2 Холодна обробка

Холодна обробка в процесі обробки, монтажу та виготовлення обладнання для ядерної енергетики змінює внутрішню мікроструктуру матеріалу. Наприклад, гнуття, зварювання, шліфування, штампування та інші процеси аустенітної нержавіючої сталі спричиняють пластичну деформацію матеріалу, дислокаційні та точкові дефекти – ковзання в ґратці, орієнтацію меж зерен, щільність дислокацій та інші зміни. Зміна локальних механічних властивостей та концентрації напружень матеріалу підвищує чутливість нержавіючої сталі до корозійного розтріскування під напругою.

Дослідження показує, що в модельованому середовищі первинної води PWR швидкість росту підземного шару (CGR) значно зростає зі збільшенням ступеня холодної обробки нержавіючої сталі, а стійкість нержавіючої сталі до міжфазного підземного шару (IGSCC) зменшується. Аріока та ін. вивчали поведінку росту підземного шару холоднообробленої нержавіючої сталі 316 у високотемпературному розчині літію-бору за допомогою експериментів на розтяг. Як правило, вершина тріщини є зоною високого напруження. Дефекти вакансій, що утворюються під час холодної обробки, рухаються до межі зерен під впливом градієнта напружень і рухаються вздовж межі зерен до зони високого напруження, утворюючи високу щільність вакансій у локальних областях та утворюючи отвори перед тріщиною та навколо неї. Поява отворів і висока щільність вакансій значно знижують механічні властивості на межі зерен, послаблюють енергію зв'язку на межі зерен, забезпечують слабке положення для росту тріщини та значно прискорюють її ріст. Крім того, Терачі та ін. зазначили, що вакансії та дислокації, що утворюються під час холодної обробки зразків нержавіючої сталі 304 та 316, також можуть значно збільшити межу текучості матеріалу, і швидкість росту тріщини відповідно зростатиме. Загальноприйнято вважати, що межа текучості матеріалів σ між y та CGR

3.1.3 Термічна обробка

Матеріали з нержавіючої сталі зазвичай проходять процеси термічної обробки, такі як твердий розчин, сенсибілізація та старіння, у процесі виробництва. Висока температура має великий вплив на розвиток мікроструктури та корозійну стійкість матеріалів. Нержавіюча сталь має вміст Cr понад 13% в умовах відпалу, демонструючи хорошу стійкість до загальної та місцевої корозії. Однак, нержавіюча сталь, що піддається впливу високотемпературного середовища, осідає та виділяє багаті на хром карбіди (Cr23C6) на межі зерен. Явище бідності хрому на межі зерен є однією з основних причин зниження стійкості до міжкристалічної корозії та корозійної стійкості під напругою аустенітної нержавіючої сталі. Правильна обробка старінням може вирішити проблему бідності хрому.

При обробці розчином за певної температури (наприклад, 1100 ℃), зі збільшенням часу розчинення, вплив розчинених атомів та домішкових атомів на нержавіючу сталь 316L поступово стає достатнім, мікротвердість збільшується, а розмір зерна збільшується. На початковій стадії міжкристалічної корозії вплив різних обробок розчином на швидкість корозії зразка не є очевидним; у період росту тріщини зразки з довшим часом твердого розчинення демонструють значно кращу стійкість до міжкристалічної корозії. Експериментальні результати показують, що нержавіюча сталь з обробкою розчином 0,5~1 год при 1100 ℃ має кращі комплексні властивості. Порівняно з обробкою розчином, швидкість корозії та швидкість росту тріщин сенсибілізованої нержавіючої сталі значно зростають. Очевидно, що обробка сенсибілізацією не сприяє покращенню стійкості нержавіючої сталі 316L до підривного корозійного розтріскування (SCC). Процес сенсибілізації легко спричиняє дефіцит хрому на межі зерен нержавіючої сталі 304. Чутливість до підривного корозійного розтріскування підвищується, і ймовірність виникнення міжкристалічної корозії (IGSCC) стає більшою.

Розтріскування нержавіючої сталі

Нержавіюча сталь цінується за свою довговічність та стійкість до корозії. Однак вона не застрахована від розтріскування за певних умов. Розуміння поведінки нержавіючої сталі щодо розтріскування має вирішальне значення для її ефективного використання.

Розтріскування може призвести до значних проблем у різних сферах застосування. Корозійне розтріскування під напругою є поширеною проблемою, яка часто посилюється факторами навколишнього середовища. Інженери та матеріалознавці повинні знати про ці труднощі.

Розуміння властивостей та проблем нержавіючої сталі

Stainless steel is valued for its distinct properties, such as strength and resistance to rust. These traits make it a popular choice in construction and manufacturing. Yet, it’s vital to recognize the issues that can arise.

На характеристики та надійність нержавіючої сталі може впливати кілька факторів. Розуміння цих елементів допомагає у розробці безпечніших та довговічних виробів. Такі проблеми, як розтріскування, можуть підірвати її міцність, якщо їх не вирішити.

Ключові властивості та проблеми включають:

• Стійкість до корозії
• Висока міцність на розрив
• Схильність до корозійного розтріскування під напругою
• Вплив умов навколишнього середовища
• Вплив виробничих процесів

Поширені типи розтріскування в нержавіючій сталі

Нержавіюча сталь може страждати від різних типів розтріскування, кожен з яких має унікальні характеристики. Розуміння цих типів є критично важливим для правильного вибору та використання матеріалу.

Корозійне розтріскування під напругою (SCC) часто вражає нержавіючу сталь у суворих умовах. Це відбувається, коли розтягувальні напруги поєднуються з корозійним середовищем, таким як вплив хлоридів. Аустенітні нержавіючі сталі особливо схильні до цього.

Водневе окрихчення становить ще один ризик, коли атоми водню проникають у сталь, роблячи її крихкою та схильною до розтріскування. Цей тип розтріскування часто виникає в середовищах високого тиску.

Поширені типи розтріскування нержавіючої сталі включають:

• Корозійне розтріскування під напругою (SCC)
• Водневе окрихчення
• Розтріскування від втоми внаслідок циклічного навантаження
• Міжкристалічна корозія, що призводить до структурної деградації

Причини та фактори, що сприяють розтріскуванню нержавіючої сталі

На розтріскування нержавіючої сталі впливає кілька факторів. Розуміння цих факторів може допомогти вжити превентивних заходів.

Ключовим фактором є залишкова напруга від зварювання, яка може призвести до ненавмисного розтягу. Ця напруга, якщо її не лікувати, збільшує ймовірність розтріскування під впливом навколишнього середовища.

Високі температури можуть посилити існуючі вразливості, особливо в середовищах, багатих на хлориди.

До факторів, що сприяють цьому, належать:

• Залишкові напруження від зварювання
• Наявність хлоридів
• Підвищені температури
• Металургійна мікроструктура

Стратегії запобігання та пом'якшення наслідків

Запобігання розтріскуванню нержавіючої сталі передбачає стратегічний вибір матеріалу та оптимізацію процесу. Вибір правильної марки сталі для конкретних умов має вирішальне значення для мінімізації ризиків.

Конструктивні міркування також відіграють важливу роль у запобіганні концентрації напружень. Правильне проектування може розподілити напруження більш рівномірно, зменшуючи потенційні місця розтріскування.

Ефективні стратегії включають:

• Вибір відповідних марок нержавіючої сталі
• Оптимізація дизайну для зменшення концентрації напружень
• Проведення регулярних перевірок та технічного обслуговування

Висновок: Ключові висновки щодо застосування нержавіючої сталі

Розуміння поведінки нержавіючої сталі при розтріскуванні є ключовим для підтримки структурної цілісності. Це вимагає уваги як до властивостей матеріалу, так і до умов навколишнього середовища.

Впровадження обґрунтованих стратегій може значно зменшити ризик розтріскування. Це забезпечує довговічність та безпеку виробів з нержавіючої сталі.