2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中的脫碳規(guī)律研究

付曉剛

摘 要 快堆蒸發(fā)器多使用2.25Cr-1Mo鋼作為傳熱管材料，但2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中存在脫碳現(xiàn)象導(dǎo)致力學(xué)性能下降，而特殊的工況又決定了其不能進(jìn)行破壞性檢驗，故研究其脫碳機(jī)理是掌握脫碳層深度變化及其對力學(xué)性能影響的有效手段。

關(guān)鍵詞 2.25Cr-1Mo鋼；脫碳；鈉

中圖分類號 TL1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0234-01

蒸汽發(fā)生器是鈉冷快堆的重要部件之一，其內(nèi)部的傳熱管服役條件最為苛刻，需要在190℃～500℃的溫區(qū)內(nèi)承受14MPa的工作壓力并將水及水蒸氣與液態(tài)鈉完全隔離在管壁兩側(cè)，以避免發(fā)生鈉水反應(yīng)事故造成蒸汽發(fā)生器的損壞。世界各國已建造的快堆蒸發(fā)器多使用2.25Cr-1Mo鋼作為傳熱管材料，但2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中存在脫碳現(xiàn)象導(dǎo)致力學(xué)性能下降，使得傳熱管破損風(fēng)險增加[ 1 ]。因此，了解2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中的脫碳程度及其對力學(xué)性能的影響是評價傳熱管安全性和使用壽命的重要組成部分，其脫碳機(jī)理的探索也一直被各國研究人員所重視，并取得了許多有價值的研究結(jié)論。

1 2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中的脫碳規(guī)律

以往的研究結(jié)果表明，2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象是由熱時效引起的碳化物轉(zhuǎn)變和鈉中碳活度低導(dǎo)致碳原子向外擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。K.Natesan等人對2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中脫碳現(xiàn)象的研究最有代表性，其試驗結(jié)果表明鈉腐蝕試驗后的2.25Cr-1Mo鋼表面脫碳層存在兩種不同類型的碳原子濃度分布曲線如圖1所示[2，3]。在脫碳初期，表面碳原子濃度不斷下降，如曲線1所示，脫碳層內(nèi)的碳原子濃度分布是典型的碳擴(kuò)散曲線，能夠使用菲克擴(kuò)散定律進(jìn)行描述和預(yù)測如公式1所示。

其中，C（X）是在時間t時距表面距離為X處的碳原子濃度，CS是表面碳原子濃度，C0是初始碳原子濃度，D是碳原子在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)。

當(dāng)嚴(yán)重脫碳時，如曲線2所示，脫碳層內(nèi)的濃度分布曲線逐漸出現(xiàn)直線區(qū)域，其濃度分布不再能夠以公式1進(jìn)行描述。對嚴(yán)重脫碳時各個特征區(qū)域的碳化物分析結(jié)果表明，脫碳層內(nèi)直線區(qū)域存在的碳化物是M6C，彎曲區(qū)域存在的碳化物是M23C6和M6C，而暫時未受脫碳影響區(qū)域存在的碳化物是M23C6、M7C3和 M6C或M23C6和M6C。這說明表面脫碳層內(nèi)的碳化物比內(nèi)部只受熱時效影響的碳化物更快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的 M6C，而轉(zhuǎn)變期間產(chǎn)生的多余碳原子則擴(kuò)散至鈉中。另外，K.Matsumoto的試驗結(jié)果表明在高溫鈉中2.25Cr-1Mo鋼表現(xiàn)出脫碳行為，而5Cr-1Mo鋼則表現(xiàn)為滲碳行為[4]。K.Miyata報道的Cr-Mo鋼相圖表明2.25Cr-1Mo鋼中穩(wěn)定碳化物是M6C，而5Cr-1Mo鋼中穩(wěn)定碳化物是M23C6[ 5 ]。因此，將二者結(jié)果結(jié)合可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)碳化物轉(zhuǎn)變對理解脫碳機(jī)理的重要性。

2 2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中的脫碳層深度計算

雖然上述研究結(jié)果闡明了2.25Cr-1Mo鋼在高溫鈉中脫碳的基本過程，但是由于嚴(yán)重脫碳層內(nèi)的碳原子濃度分布不再能夠使用經(jīng)典的碳原子擴(kuò)散公式描述，并且2.25Cr-1Mo鋼脫碳層數(shù)據(jù)報道較少，因此，2.25Cr-1Mo鋼表面嚴(yán)重脫碳層深度隨時間的變化規(guī)律并不清晰。

通過對K.Natesan等人已報道的曲線2類型碳原子濃度分布曲線進(jìn)行計算模擬時，2.25Cr-1Mo鋼高溫鈉中脫碳層深度的變化主要受碳化物轉(zhuǎn)變控制，直線區(qū)域中熱力學(xué)穩(wěn)定的M6C不再產(chǎn)生碳原子向鈉中擴(kuò)散，而彎曲區(qū)域碳化物轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的碳原子是向鈉中擴(kuò)散的主要來源，其碳原子濃度分布仍然遵守菲克擴(kuò)散定律，彎曲區(qū)域曲線的移動速率取決于碳原子擴(kuò)散系數(shù)，在此基礎(chǔ)上假設(shè)直線區(qū)域變寬速率為恒定值，即彎曲區(qū)域曲線隨鈉腐蝕時間增加向右勻速平移時，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下直線區(qū)域變寬速率與碳原子在2.25Cr-1Mo鋼中的擴(kuò)散系數(shù)基本呈比例關(guān)系且與僅有的幾個試驗數(shù)據(jù)吻合，如表1所示。

碳原子在2.25Cr-1Mo鋼內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)在773K下是1.87E-11cm2/s，根據(jù)上述比例關(guān)系計算可知，2.25Cr-Mo鋼在773K鈉液中脫碳層深度的增加速率大約是30μm/ year。

3 結(jié)論

由于2.25Cr-1Mo鋼內(nèi)部未受脫碳影響區(qū)域的碳化物會隨著熱時效時間的增加部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的M6C，那么實(shí)際的直線區(qū)域變寬速率有可能逐漸變小，即直線區(qū)域?qū)挾鹊脑黾又饾u變慢。因此，保守計算2.25Cr-Mo鋼在773K鈉液中脫碳層深度的增加速率大約是30μm/ year，實(shí)際服役過程中會低于此值。

參考文獻(xiàn)

[1]S.C. Chetaland and G. Vaidyanathan. Evolution of Design of Steam Generator for Sodium Cooled Reactors.

[2]K. Natesan et al.， Compatibility of Fe-21/4wt% Cr-1wt% Mo steel in a sodium environment， Nuclear Techonlogy， 1976，28：441-451.

[3]Takushi ITO et al.， Evaluation of Carburization and Decarburization Behavior of Fe-9Cr-Mo Ferritic Steels in Sodium Environment， Journal of Nuclear Science and Technology， 1992，29（4）：367-377.

[4]Keishi. Matsumoto， Yoshio. Ohta， Tadayuki. Kataoka et al. Carbon transfer behavior of materials for liquid-metal fast breeder reactor steam generators， Nuclear Techonlogy， 1976，28：452-470.

[5]Kaori Miyata and Yoshiatsu Sawaragi. Effect of Mo and W on the phase stability of precipitates in low Cr heat resistant steels， ISIJ International，2001，41：281-289.