分享：Z6CNT18-10奥氏体不锈钢扩散管在蒸汽疏水环境中的疲劳开裂特征

李心刚１,郭 凯１,翟新年２,黄进财２

(１．大亚湾核电运营管理有限责任公司,深圳 ５１８０００;

２．中核深圳凯利核能服务有限公司,深圳 ５１８０００)

    摘 要:采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等对 Z６CNT１８Ｇ１０奥氏体不锈钢扩散管在蒸汽疏水环境下的疲劳断口特征进行了研究.结果表明:与常见的疲劳裂纹常起源于外壁不同,在蒸汽疏水环境下的奥氏体不锈钢扩散管的疲劳裂纹起源于内壁,裂纹源处存在明显的氧化现象;裂纹附近的显微组织中存在一定量的驻留滑移带,疲劳条带间距很窄,几乎不存在瞬断区,属于高周疲劳.

    奥氏体不锈钢因其优越的抗流动加速腐蚀性能和焊接性能,广泛应用于核电厂及火电厂疏水系统的疏水阀下游通往凝汽器的管道和扩散器等金属部件[１Ｇ６].虽然奥氏体不锈钢的性能优越,但由于工作环境较为恶劣,疏水管道及管件开裂的现象仍时有发生[７Ｇ８].目前关于不锈钢管件在蒸汽疏水环境下的失效行为研究主要集中在管系的二次应力问题上.电厂运行经验表明,疲劳开裂也是蒸汽疏水系统疏水阀下游管件开裂的主要原因之一.间断的高温疏水流对金属管件造成冷热交替循环,尤其是当发生间断性的闪蒸相变时易引发疲劳开裂[９Ｇ１２].关于奥氏体不锈钢管件在蒸汽疏水环境下的疲劳开裂尚无深入研究,笔者以Z６CNT１８Ｇ１０奥氏体不锈钢扩散管为研究对象,对其典型疲劳断口和裂纹进行了综合分析,深入研究了其在蒸汽疏水环境下的疲劳开裂特征.

１ 试验材料与试验方法

１．１ 试验材料

    Z６CNT１８Ｇ１０奥氏体不锈钢扩散管的化学成分如表１所示,其显微组织形貌如图１所示,可见其为典型的奥氏体并伴有孪晶.该不锈钢扩散管的蒸汽疏水温度为１４５ ℃,上游压力为０．３５ MPa,下游为真空.

１．２ 试验方法

    采用 TESCANVEGATS５１３６XM 扫描电子显微镜 (SEM)、EDAX GENESIS２０００XＧRay 能 谱 仪(EDS)进行微观分析;采用ZEISSAXIOVERT２００MAT 研究级倒置万能金相显微镜进行金相分析;

采用 PANalyticalX’PERTPRO 型 X 射线衍射仪(XRD)进行物相分析.

２ 试验结果与讨论

２．１ 断口形貌

    图２ 是 扩 散 管 两 典 型 疲 劳 断 口 裂 纹 源 区 的SEM 形貌.从图２可以看出,裂纹起源于扩散管内表面而非通常疲劳起裂的外表面,裂纹萌生后呈发散性扩展.图２a)为其中一个断口的 SEM 形貌,可见该裂纹源区已被磨平,无法观察到裂纹初始萌生时的具体形貌特征.图２b)为另一个断口的 SEM 形貌,可见裂纹源区存在一条过载线,这表明裂纹在萌生后并非一直扩展,在某个时期经历环境突然变化时才继续向前扩展.这应该与当疏水流过时材料发生相变,造成体积膨胀和管件内壁温度变化有关.

    图３为断口裂纹扩展区的 SEM 形貌.从图３可以看出,在裂纹扩展区有明显的呈簇状的疲劳条带,在一个相对较大的范围内会存在多簇不同方向的疲劳条带,但大致方向均垂直于主裂纹扩展方向.

    从疲劳条带的放大形貌可以看出,所有相邻条带之间的间距均不大于１μm,一般在数百纳米左右.疲劳条带的间距一般代表裂纹在一个循环周次的扩展距离,间距越大代表裂纹扩展速率越快,图３中的疲劳条带间距较小,呈典型高周疲劳特征.另外除裂纹源区外,几乎都是扩展区,瞬断区面积很小,几乎未发现.这说明此环境下造成材料疲劳的应力很低,不存在裂纹扩展到最后阶段发生过载断裂的情况.需要说明的是,清洗前的断口表面存在大量黑色颗粒状氧化物,疲劳条带被覆盖,断口在观察前均用柠檬酸清洗１０ min,以去除断口表面的氧化物.表２为未清洗断口的 EDS分析结果,可见氧含量达到２０％(质量分数).图４所示为断口表面氧化层的 XRD谱,可以看出黑色颗粒状氧化物为 Fe３O４.这说明在蒸汽疏水环境下由于高温且氧含量很低,在较长的裂纹扩展时间内,因裂纹扩展而露出的新鲜不锈钢表面与高温低氧水发生化学反应,表面生成了黑色氧化物 Fe３O４.

２．２ 裂纹分析

图５所示 为 未 完 全 断 开 区 域 裂 纹 的 形 貌,从图５可以 看 出,裂 纹 走 向 平 直,穿 晶 扩 展,无 二 次裂纹萌 生,这 些 裂 纹 长 度 较 大,即 将 贯 穿 整 个 管件.此外,在 开 裂 管 件 附 近 的 显 微 组 织 中 发 现 大量驻留滑移 带,这 些 滑 移 带 的 形 成 应 归 因 于 循 环的周期应力 反 复 加 载,导 致 奥 氏 体 不 锈 钢 发 生 塑性变形,随着 塑 性 变 形 的 反 复 累 加 最 终 形 成 滑 移

带,如图６所示.

２．３ 讨论

    如前所述,该扩散管内流经１４５ ℃,０．３５MPa的疏水,下游为真空.当疏水间断性流至扩散管时,会迅速降压,发生闪蒸,液相变成气相,相变造成体积迅速膨胀.闪蒸的发生会给扩散管内壁带来局部冲击.扩散管内流体为蒸汽和废气的混合疏水,其流量和温度会随机组功率和上游状态的变化而变化.该变化是扩散管发生疲劳效应的因素,因此表现在材料上,

    引发的是内壁起裂而非通常的外壁起裂.一般情况下,金属的疲劳破坏大致分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂３个阶段疲劳

    裂纹萌生是整个过程最重要的阶段,一般是由应力集中引起的,常见的裂纹萌生方式包括滑移带开裂,晶界或孪晶界开裂,夹杂物、相界或第二相与基体的界面开裂.其中,滑移带开裂是材料疲劳裂纹萌生最为常见的方式.滑移带的形成一般需经历３个过程:首先是由于材料塑性变形未发生回复,产生滑移线;随着滑移线的不断增多与积累,形成滑移带;当加载周期不断增多时,滑移带会因位错、层错等微观缺陷的逐渐积累而无法回复,并最终形成驻留滑移带.驻留滑移带在金属表面或内部驻留下来,无法通过抛光等方法消除;相反地,一般的滑移带能用机械抛光、电解腐蚀等方法消除.

    疲劳裂纹往往萌生于这些驻留滑移带发生应力集中处,一旦驻留滑移带在材料中大量形成,疲劳裂纹萌生的可能性将大大增加[１３Ｇ１５].在该开裂扩散管中,已开裂裂纹附近发现了大量的驻留滑移带,这些滑移带的形成就是裂纹潜在的裂纹源区,而已形成的裂纹应是滑移带形成最为严重的区域.疲劳裂纹的扩展过程按裂纹扩展的形态可以分为两个阶段.裂纹扩展的第一阶段在断口上留下痕迹较少或不明显,而第二阶段往往在断口上留下河流样的平行带状花纹,即“疲劳条带”,在疲劳断口上可以通过比较相邻疲劳条带之间的间距来判断裂纹扩展速度的大小,间距越大,裂纹扩展越快.该开裂扩散管断口观察到的疲劳条带间距均不超过１μm,一般仅为数百纳米,说明该扩散管的疲劳特征属典型的高周疲劳.

３ 结论

    与常见的振动疲劳裂纹常起源于外壁不同,在蒸汽疏水环境下 Z６CNT１８Ｇ１０ 奥氏体不锈钢扩散管的疲劳裂纹起源于内壁,断口起源处存在明显的氧化现象.裂纹附近的显微组织中存在一定量的驻留滑移带;疲劳条带间距很窄,几乎不存在瞬断区,属高周疲劳.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2019年 > 5期 > pp.294）