690TT傳熱管和I-800傳熱管晶間腐蝕試驗研究

汪瀟 但體純 羅垚

核動力運行研究所核設備研究設計中心 湖北武漢 430000

晶間腐蝕性能是傳熱管耐腐蝕性能的關鍵項。當發生晶間腐蝕時，金屬晶粒之間結合力大大下降，材料的強度、塑性和韌性急劇降低。晶間腐蝕試驗目的是考核材料的耐晶間腐蝕性能，考核試驗越接近實際，越有利于模擬材料在特定的服役狀態下的耐晶間腐蝕性能。傳熱管在蒸汽發生器制造過程中會經過焊接、熱處理或者高溫環境使用，可能會導致材料的敏化。為了更加充分的體現材料在使用條件下抗晶間腐蝕的能力，需要使材料在試驗前進行一定時間的敏化。

690合金和I-800合金作為目前核電蒸汽發生器使用的傳熱管材料，都具有良好的耐腐蝕性能。目前尚沒有評價690合金晶間腐蝕的標準方法，一般借用奧氏體不銹鋼和其它鎳基合金的晶間腐蝕評價方法，其中以化學浸泡法為主，采用ASTMA262C法[1]對690TT傳熱管進行晶間腐蝕試驗。研究表明，ASTMA262C（65%硝酸）法相較于核電上常用的ASTMA262B（硫酸-硫酸鐵）法，能使690TT傳熱管浸泡試樣出現明顯的晶間腐蝕現象，更加準確反映其耐晶間腐蝕性能。I-800傳熱管進行晶間腐蝕試驗采用ASTMG28A 法[2]。

本文通過對國產化690TT傳熱管和I-800傳熱管進行晶間腐蝕試驗，掌握兩種傳熱管的晶間腐蝕試驗數據，驗證兩種傳熱管晶間腐蝕性能是否滿足標準要求，比較國產化690TT傳熱管和I-800傳熱管耐晶間腐蝕性能，為蒸汽發生器的設計及選材提供技術支持。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

采用線切割裝置將傳熱管加工成長20mm的試樣，用聚四氟乙烯（PTFE）帶纏繞傳熱管外表面確保試樣表面不受損傷。測量每個試樣的尺寸，根據實測尺寸計算試樣的暴露面積。試樣端面依次用180#、400#、800#和1200#砂紙逐級研磨，直至斷面光亮且劃痕方向一致。試樣表面采用無水乙醇、丙酮清洗和除油。晶間腐蝕試驗試樣狀態如表1所示。

表1 晶間腐蝕試驗試樣狀態

1.2 試驗過程

（1）690TT傳熱管晶間腐蝕試驗過程。敏化處理完成后手工打磨掉表面氧化層，清洗并干燥后，用電子天平稱重，然后放置干燥器中備用。每個試樣稱重后，將制備好的試樣固定于玻璃鏤空籠子中，每3個玻璃鏤空籠子作為一組放入磨口錐形瓶中（如圖1所示）；在4個試驗容器中分別裝入65%的優級純濃硝酸溶液800ml，在溶液中加入少量沸石。將錐形瓶放置在加熱爐上，裝好冷凝管并接通冷凝水，將溶液緩慢加熱至沸騰，然后在整個試驗期間保持沸騰。以溶液沸騰開始時間作為試驗開始時間進行記錄。

每隔48h更換一次溶液。更換溶液期間，用水淋洗試樣，并在流水下用橡膠或尼龍刷刷洗試樣，去除所有附著的腐蝕產物，然后干燥并稱重。將稱重后的試樣繼續放入65wt%硝酸溶液中加熱至沸騰，按上述操作步驟進行連續試驗5個周期，累積試驗時間為240h（5×48h），分別記錄1-5個周期試驗后的試樣重量，計算其晶間腐蝕速率[3]。

圖1 690TT傳熱管晶間腐蝕試樣固定圖

（2）I-800傳熱管晶間腐蝕試驗過程。將制備好的試樣固定于玻璃鏤空籠子中，3個玻璃鏤空籠子作為一組放入磨口錐形瓶中；在4個試驗容器中分別裝入硫酸鐵-50%硫酸溶液600mL，在溶液中加入少量沸石，每一個錐形瓶中放入同一種傳熱管3個試樣。

將錐形瓶放置在加熱爐上，裝好冷凝管并接通冷凝水，如圖2所示，緩慢加熱至沸騰，以溶液沸騰開始時間作為試驗開始時間進行記錄。試樣在沸騰硫酸鐵-50%硫酸溶液中連續浸泡120h后，試驗結束。取出試樣，將取出的試樣用去離子水沖洗干凈后用丙酮清洗，將清洗后的試樣放入干燥箱中加熱至105℃并保溫30min，然后對試樣稱重記錄。

2 試驗結果與分析

2.1 690TT傳熱管晶間腐蝕試驗結果

按照“ASTMA262-2002檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標準方法”的方法C：硝酸試驗方法的要求來進行試樣的試驗數據記錄、處理及評價。腐蝕速率按以下公式計算：

表2 690TT傳熱管晶間腐蝕試驗腐蝕速率表

腐蝕速率=ΔW/（A×t），單位mg/(dm2·day)。

其中t-試驗時間，d；A=試樣表面積，dm2；ΔW=重量損耗，mg。

690TT傳熱管試樣每個周期的平均腐蝕速率和5個周期試驗后總平均腐蝕速率如表2所示。從表2中可以看出，690TT傳熱管第1個周期的平均腐蝕速率明顯大于后續2-5個試驗周期的平均腐蝕速率，在整個試驗周期內，690TT傳熱管試樣每個周期的平均腐蝕速率呈減小的趨勢。

兩個批次690TT傳熱管未敏化試樣平均晶間腐蝕速率為分別11.66和12.58mg/(dm2×day)；兩個批次690TT傳熱管敏化試樣平均晶間腐蝕速率為12.70和12.87mg/(dm2×day)；兩個批次種690TT傳熱管在不同敏化狀態下的平均腐蝕速率相差不大。690TT傳熱管試樣未敏化態和敏化態的晶間腐蝕速率均小于20mg/(dm2×day)，滿足傳熱管標準要求。

對比發現，690TT傳熱管所有敏化處理后的試樣晶間腐蝕速率都要略高于未敏化處理的所有試樣，說明敏化對690TT傳熱管的耐晶間腐蝕性能有影響。隨著敏化時間的增加，晶界處的Cr碳化物形式析出更加充分，導致晶界Cr的貧化加劇，從而導致晶間腐蝕速率增加。結合690TT傳熱管晶間腐蝕試驗研究結果還可以看出，690TT傳熱管熱處理工藝已基本調整至最佳狀態，在SG后續裝配、焊接及加工過程中，應盡量避免針對傳熱管較長時間較高溫度的“被動”熱處理。

2.2 I-800傳熱管晶間腐蝕試驗結果

按照ASTMG28-2002試驗方法A“沸騰硫酸鐵和50%硫酸試驗方法”的要求來進行I-800傳熱管的試驗數據記錄、處理及評價。I-800傳熱管晶間腐蝕腐蝕速率按以下公式計算：

腐蝕速率=（K×W）/（A×T×D），單位mm/y；

其中：K-常量，8.76×104；T-暴露時間，h小時，精確到0.01h；A-面積，cm2，精確到0.01cm2；W-質量損失，g，精確到0.001g；D-密度，g/cm3。

從表3中可以看出，敏化后I-800（1）傳熱管晶間腐蝕速率由0.088mm/a增加至0.170mm/a，說明I-800（1）傳熱管的晶間腐蝕性能受敏化的影響較大。敏化后I-800（2）傳熱管的晶間腐蝕速率由0.147mm/a增加至0.165mm/a，說明I-800（2）傳熱管的晶間腐蝕性能較穩定，650℃,2h的敏化制度對I-800（2）傳熱管影響不大。I-800（1）傳熱管和I-800（2）傳熱管晶間腐蝕速率是滿足標準要求的。

出現晶間腐蝕的原因是在敏化溫度范圍內，碳化物隨著晶界析出，鉻從晶粒邊界的固溶體中分離出來，由于鉻的擴散速度遠低于碳化物的擴散速度，鉻不能及時從晶粒內固溶體中擴散補充到邊界[3]，因此只能消耗晶界附近的鉻，造成晶界貧鉻，從而導致晶間腐蝕速率加劇。

表3 I-800傳熱管晶間腐蝕試驗腐蝕速率表

2.3 690TT傳熱管和I-800傳熱管晶間腐蝕對比

GB/T4334-2008[4]不銹鋼晶間腐蝕試驗方法的D法中用同基準腐蝕速率的比值來判定晶間腐蝕性能的傾向。對于超低碳鋼種，腐蝕速率的比值=敏化處理后試樣的腐蝕速率/交貨狀態試樣的腐蝕速率。根據該評價指標，腐蝕速率的比值計算結果見表4。

表4 690TT傳熱管和I-800傳熱管晶間腐蝕對比

由表4可知，兩個批次690TT傳熱管敏化前后腐蝕速率比值相當，耐晶間腐蝕性能相當；I-800(2)傳熱管敏化前后腐蝕速率明顯低于I-800(1)傳熱管，說明I-800(2)傳熱管耐晶間腐蝕能力優于I-800(1)傳熱管。

從690TT傳熱管和I-800傳熱管敏化前后腐蝕速率比值來看，總體來看690TT傳熱管晶間腐蝕性能優于I-800傳熱管。

3 結語

（1）采用ASTMA262-2002方法C,690TT傳熱管未敏化態的晶間腐蝕速率低于敏化態的晶間腐蝕速率，兩批傳熱管均小于20mg/(dm2·day)，滿足傳熱管標準要求；

（2）采用ASTMG28-2002試驗方法A,I-800傳熱管未敏化態的晶間腐蝕速率低于敏化態的晶間腐蝕速率，兩批傳熱管均小于0.2mm/a，滿足傳熱管標準要求。

（3）采用GB/T4334-2008方法D，用同基準腐蝕速率的比值來判定，690TT傳熱管晶間腐蝕性能優于I-800傳熱管。