汽輪機轉子鋼的應力腐蝕敏感性

林淑嫻,黃毓暉,軒福貞,涂善東

(華東理工大學 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

汽輪機作為核電站常規島的關鍵設備，承擔著將熱能轉化為機械能的重要功能，汽輪機的安全可靠性將直接影響整個核電系統的穩定運行。為保證核能發電的安全，反應堆供給汽輪機的蒸汽初始參數較低，蒸汽經汽缸逐級做功后，壓力和溫度又不斷降低，容易在汽輪機低壓轉子中后段發生相變，進入濕蒸汽狀態[1-2]。濕蒸汽的存在，使得汽輪機轉子和葉片表面較易凝結水膜，腐蝕介質(Cl-、SO42-、CO32-等)融入其中形成腐蝕溶液，再加上汽輪機轉子承受著巨大的離心力、扭轉力矩以及機組頻繁啟動停機帶來的交替變化的熱應力等，在環境與載荷共同作用下，汽輪機轉子存在應力腐蝕開裂(SCC)風險[3]。

應力腐蝕開裂是材料、腐蝕環境和載荷三種因素共同作用的結果。材料方面，SCC主要受到材料化學成分、熱處理工藝、力學性能及微觀結構等關鍵因素的影響[4]。

1969年,英國Hinkley Point A核電站汽輪機發生第一例SCC事故，自此之后許多國外學者開始對核電站汽輪機結構的應力腐蝕問題進行研究[5]，關于材料性能方面的研究主要集中于雜質元素(P、S、Mn等)[6-7]、屈服強度[8-10]及晶界碳化物[11]等影響因素，結果表明，材料的純凈度越高，屈服強度越低，其抗SCC能力就越強；晶界碳化物的析出會增大材料的SCC敏感性。

國內學者及制造廠商針對核電站汽輪機的結構材料也開展了新材料研發[3]、制造工藝改進[12-13]、防蝕技術[13]等方面的研究，并取得了一定進展。但目前，關于國內生產和使用的汽輪機低壓轉子材料的應力腐蝕試驗數據嚴重缺乏[2]，這制約了國產核電站用汽輪機結構材料應力腐蝕研究的發展。因此，本工作針對核電站汽輪機常用的三種低壓轉子鋼進行了微觀組織、力學性能和電化學特性的分析比較，并采用慢應變速率試驗(SSRT)對其應力腐蝕開裂敏感性進行評定，以期合理描述汽輪機轉子鋼常用材料的應力腐蝕開裂機理。

1 試驗

1.1 材料

試驗采用核電站汽輪機低壓轉子鋼常用材料，其化學成分如表1所示。

1.2 顯微形貌觀察與顯微硬度測試

試樣表面用砂紙(180～2 000號)逐級打磨并機械拋光后，用4%(體積分數,下同)硝酸酒精侵蝕。侵蝕適當時間后將試樣沖洗干凈并吹干，采用蔡司Axio Observer A1m金相顯微鏡觀察顯微組織，隨后采用維氏硬度儀進行顯微硬度測試，載荷為4.9 N，保載時間為10 s。

表1 三種材料的化學成分Tab. 1 Chemical composition of three materials %

1.3 電化學試驗

電化學試驗用試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，通過點焊將試樣與帶絕緣皮的銅導線連接，只留出一個工作面(尺寸為10 mm×10 mm)與環境接觸，非工作面用環氧樹脂密封。試驗采用三電極體系:經砂紙(180～2 000號)逐級打磨后的工作面為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極。電化學測量使用辰華CHI660E型電化學工作站，試驗溫度為25 ℃，試驗溶液為3.5%(質量分數,下同)NaCl溶液，掃描范圍為-900～200 mV，掃描速率為1 mV/s。內置計算程序可自動得到自腐蝕電流密度(Jcorr)和自腐蝕電位(Ecorr)。試樣浸泡10 min后先測量其開路電位，待開路電位穩定后進行極化曲線測定。每個試樣進行三次試驗，取平均值作為最后結果。

1.4 慢應變速率試驗

為模擬汽輪機低壓轉子的運行環境，SSRT在180 ℃、3.5% NaCl溶液中進行，另有一組在180 ℃空氣中進行，作為對照。試驗采用圓棒拉伸試樣，尺寸如圖1所示。試驗設備為美國Cortest公司生產的高溫高壓慢應變速率腐蝕試驗機，利用其自帶的位移傳感器(Solartron生產，S型號)測量位移變化，載荷傳感器(Honeywell生產，RM型號)測量試驗載荷。試驗的應變速率均為10-6s-1，每種材料在腐蝕環境中進行兩組試驗。

圖1 圓棒拉伸試樣的尺寸示意圖Fig. 1 Dimension of round bar tensile specimen

試驗前，試樣依次用去離子水、無水乙醇和丙酮進行超聲清洗。試驗開始時，先將溶液加熱至180 ℃，再給試樣施加恒定的應變速率，記錄應力-應變值，直至試樣斷裂。試驗結束后，取出試樣再次進行超聲清洗，測算試樣的斷面收縮率，并通過掃描電鏡觀察試樣斷口及標距段表面形貌，然后沿縱截面剖開，制備金相試樣，觀察應力腐蝕裂紋及表面氧化膜，并通過能譜儀進行點掃，探究元素的分布規律。

采用慢應變速率試驗，可以分析腐蝕環境對材料性能的影響，從而評定材料在特定腐蝕環境中的應力腐蝕開裂敏感性，見式(1)：

(1)

式中:k為應力腐蝕開裂敏感性評定指標，k值越小，表示材料的應力腐蝕開裂敏感性越大。式(1)中的結果可用同一個初始應變速率下的一個或多個參數來表征，包括應力-應變曲線所包圍的面積、斷裂時間和斷面收縮率等，本工作中惰性介質環境為180 ℃空氣。

2 結果與討論

2.1 顯微組織與顯微硬度

由圖2可見:25Cr2Ni2MoV轉子鋼的顯微組織為板條狀馬氏體，其碳化物顆粒細小，主要沿板條邊界分布;26NiCrMoV10-10轉子鋼的馬氏體基體上分布著較多條狀貝氏體，其碳化物顆粒呈短桿狀或顆粒狀，在條間、條內和基體上均有分布，且沿板條界呈一定取向;30Cr2Ni4MoV轉子鋼的組織中含少量外形不規則的中溫塊狀鐵素體(黑色部分)[14]，同時,圖2(e)中，部分M-A島呈半連續長條型，近似于平行排列，傾向于沿晶界長大，符合粒狀貝氏體特征；部分M-A島無規則分布，跨越晶界長大，使母相晶界不易顯示，符合粒狀組織特征[15],故其組織為粒狀貝氏體+粒狀組織，其碳化物部分沿晶界及M-A島的不規則邊緣分布，部分則分布在M-A島內，呈顆粒狀或短桿狀。

觀察不同視場下的晶粒圖像，采用三圓截點法對三種轉子鋼的晶粒度進行統計評級。結果顯示，25Cr2Ni2MoV轉子鋼和26NiCrMoV10-10轉子鋼的晶粒度均為7.5～8.0級，對應平均晶粒直徑為22.5～26.7 μm;30Cr2Ni4MoV轉子鋼的晶粒度為6～7級，對應平均晶粒直徑為31.8～44.9 μm，這三種轉子鋼的晶粒均較細小均勻。

由圖3可見:26NiCrMoV10-10轉子鋼(2號鋼)和30Cr2Ni4MoV轉子鋼(3號鋼)的硬度相差不大，分別為231 HV0.5和242 HV0.5，而25Cr2Ni2MoV轉子鋼(1號鋼)的硬度最高，為285 HV0.5。這主要是因為25Cr2Ni2MoV轉子鋼的馬氏體晶粒極細，亞顯微結構為高密度位錯，可有效阻礙位錯運動，從而表現出較高的硬度。

2.2 電化學性能

由圖4和表2可見:三種轉子鋼在3.5% NaCl溶液中均處于活性溶解狀態，未發生鈍化。26NiCrMoV10-10轉子鋼的自腐蝕電流密度最低，僅為2.246 μm/cm2，表明其腐蝕速率最低、且耐蝕性較好，而25Cr2Ni2MoV和30Cr2Ni4MoV轉子鋼的自腐蝕電流密度則相差不大，比較這兩種轉子鋼的Ecorr,可見25Cr2Ni2MoV轉子鋼的Ecorr平均值為-0.414 V，更負于30Cr2Ni4MoV轉子鋼的(-0.367 V)，表明其熱力學性能更不穩定，耐蝕性更差。總的來說，在25 ℃、3.5% NaCl環境中，三種轉子鋼的耐蝕性由強到弱依次為26NiCrMoV10-10轉子鋼>30Cr2Ni4MoV轉子鋼>25Cr2Ni2MoV轉子鋼。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼，500× (b) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼，5 000× (c) 26NiCrMoV10-10轉子鋼，500×

(d) 26NiCrMoV10-10轉子鋼，5 000× (e) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼，500× (f) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼，5 000×圖2 三種轉子鋼的顯微組織Fig. 2 Microstructures of 25Cr2Ni2MoV rotor steel (a,b), 26NiCrMoV10-10 rotor steel (c,d), and 30Cr2Ni4MoV rotor steel (e,f)

圖3 三種轉子鋼的顯微硬度Fig. 3 Micro-hardness of three rotor steels

圖4 三種轉子鋼在25 ℃,3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig. 4 Potentiodynamic polarization curves of three rotor steels in 3.5% NaCl solution at 25 ℃

表2 三種轉子鋼在3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位、點蝕電位和自腐蝕電流密度Tab. 2 Ecorr, Epit and Jcorr of three rotor steels in 3.5% NaCl solution

一般來說，馬氏體的耐蝕性優于貝氏體的，而貝氏體的耐蝕性又優于鐵素體的[16-18]。本工作中，微觀組織含少量中溫塊狀鐵素體的30Cr2Ni4MoV轉子鋼并沒有表現出較差的耐蝕性，反而組織為馬氏體的25Cr2Ni2MoV轉子鋼的耐蝕性最低。這是由于30Cr2Ni4MoV轉子鋼微觀組織中的鐵素體以孤島狀分布，即使被腐蝕也不會造成更大的危險，可以改善其抗SCC性能[19]。同時，材料的耐蝕性除了受微觀組織的影響，還受到晶粒大小、化學成分等因素的影響[20-21]。研究表明，晶粒尺寸增大，有利于降低材料的耐蝕性[22-23]，30Cr2Ni4MoV轉子鋼的晶粒較大，故其耐蝕性較好。從化學成分看，26NiCrMoV10-10轉子鋼的Cr、Ni含量較高，相關研究[21]表明Cr、Ni含量的增加可提高氧化膜的致密性，并使自腐蝕電位正移，降低腐蝕速率，故其耐蝕性較好。30Cr2Ni4MoV轉子鋼與25Cr2Ni2MoV轉子鋼相比，雖然Cr的質量分數低了0.58%，但其Ni的質量分數高了1.42%，而Ni的熱力學性能比Cr更穩定，故30Cr2Ni4MoV轉子鋼的自腐蝕電位更正。

2.3 SSRT結果

2.3.1 應力腐蝕開裂敏感性

由圖5和表3可見:25Cr2Ni2MoV轉子鋼(1號鋼)的屈服強度及抗拉強度均比26NiCrMoV10-10(2號鋼)和30Cr2Ni4MoV轉子鋼(3號鋼)的高100 MPa以上，而其斷后伸長率則相差不超過4%；此外，這三種轉子鋼在腐蝕環境中的斷后伸長率(或總應變)明顯比在空氣中的小，這說明腐蝕介質對斷裂行為產生了影響。

圖5 三種轉子鋼在180 ℃的空氣和3.5% NaCl溶液中的應力-應變曲線Fig. 5 Stress-strain curves of three rotor steels in air and 3.5% NaCl solution at 180 ℃

由圖6可見：25Cr2Ni2MoV轉子鋼在兩種環境中的斷面收縮率都是最小的，這表明25Cr2Ni2MoV轉子鋼的塑性低于另外兩種轉子鋼的。

根據式(1)，將應力-應變曲線所包圍的面積、斷裂時間及斷面收縮率這三個指標在腐蝕介質和空氣環境中的試驗結果的比值分別記為kA、kT、kR，結果如表4所示。由表4可見:25Cr2Ni2MoV轉子鋼的k值最小，而30Cr2Ni4MoV和26NiCrMoV10-10轉子鋼的k值相差不大，這表明在180 ℃、3.5% NaCl溶液中，25Cr2Ni2MoV轉子鋼的SCC敏感性較大，而30Cr2Ni4MoV與26NiCrMoV10-10轉子鋼的SCC敏感性較小且相近。

表3 三種轉子鋼在180 ℃空氣和3.5% NaCl溶液中的力學性能Tab. 3 Mechanical properties of three rotor steels in air and 3.5% NaCl solution at 180 ℃

(a) 應力-應變曲線圍成的變積

(b) 斷裂時間

(c) 斷面收縮率圖6 三種轉子鋼的力學性能Fig. 6 Mechanical properties of three rotor steels: (a) area of stress-strain curve; (b) fracture time; (c) reduction in area

表4 三種轉子鋼的應力腐蝕開裂敏感性的評定結果Tab. 4 Evaluation results of stress corrosion cracking sensitivity of three rotor steels

與26NiCrMoV10-10和30Cr2Ni4MoV轉子鋼相比，25Cr2Ni2MoV轉子鋼的組織為板條狀馬氏體，強度、硬度較高，斷面收縮率較低，在外加應力作用下，抵抗塑性變形能力較低；同時，其Ni含量比26NiCrMoV10-10轉子鋼的低0.63%，比30Cr2Ni4MoV轉子鋼的低1.42%，這降低了其耐蝕性，故其SCC敏感性較低。而對于30Cr2Ni4MoV轉子鋼，其Ni含量較高，為3.65%，這保證了其良好的抗SCC性能，且其組織中的鐵素體以孤島狀分布，對抗SCC性也有改善作用[19]。

2.3.2 斷口形貌

由圖7可見：三種轉子鋼試樣在180 ℃空氣中經SSRT后，斷口均呈韌窩狀，且斷口中間部分的韌窩尺寸大于邊緣的，表明三種轉子鋼試樣的斷裂形式為延性斷裂；而在腐蝕環境(180 ℃,3.5% NaCl溶液)中，三種轉子鋼試樣的斷口邊緣相對較平，河流花紋明顯，呈脆性斷口特征(黑色虛線到邊緣區域)，中間部分則呈韌窩狀，表明在此環境中，試樣具有一定的SCC敏感性。試樣與腐蝕環境接觸后，斷口邊緣在應力和腐蝕環境的交互影響下，優先發生開裂并向內部擴展，故斷口邊緣較平；隨著試驗的進行，試樣所受載荷不斷增大，進入強化階段后，試樣因無法承受載荷而發生嚴重的局部塑性變形，并最終在高應力作用下被快速拉斷，此時應力作用占主導，故在三種轉子鋼試樣斷口的中間部分均發現韌窩。

2.3.3 應力腐蝕裂紋及氧化膜形貌

由圖8和圖9可見：在空氣中經過SSRT后，三種轉子鋼試樣斷口均呈杯錐狀，有明顯頸縮現象，標距段表面沒有出現微裂紋；而在3.5% NaCl溶液中，三種轉子鋼試樣斷口呈45°斜面，可觀察到許多微小裂紋，斷斷續續，裂紋方向近似垂直于拉伸方向，且主要集中在頸縮段。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼，空氣 (b) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼，3.5% NaCl溶液中

(c) 26NiCrMoV10-10轉子鋼，空氣 (d) 26NiCrMoV10-10轉子鋼，3.5% NaCl溶液中

(e) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼，空氣 (f) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼，3.5% NaCl溶液中圖7 三種轉子鋼試樣在180 ℃空氣和3.5% NaCl溶液中經SSRT后的斷口形貌Fig. 7 Fracture morphology of three rotor steel samples after SSRT in air (a,c,e) and 3.5% NaCl solution (b,d,f) at 180 ℃

(a) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼圖8 三種轉子鋼試樣在180 ℃空氣中經SSRT后的側面形貌Fig. 8 Profile morphology of three rotor steel samples after SSRT in air at 180 ℃

(a) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼圖9 三種轉子鋼試樣在180 ℃,3.5% NaCl溶液中經SSRT后的側面形貌Fig. 9 Profile morphology of three rotor steel samples after SSRT in 3.5% NaCl solution at 180 ℃

將SSRT試驗后的試樣沿縱截面剖開，打磨、拋光、腐蝕后，采用掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕裂紋的形態，如圖10所示。可以發現，在SSRT試驗中，應變主導的腐蝕開裂沒有形成腐蝕坑，動態應變直接破壞表面氧化膜，促使裂紋萌生，并向金屬內部擴展，部分裂紋呈樹枝狀，這與前期的研究結果一致[24]。

根據試驗結果及前期研究，可認為在動態應變主導的腐蝕中，陽極溶解機理占主導，具體過程如下：CrNiMoV鋼在含氧的氯離子溶液中，首先在金屬表面形成一層氧化膜，阻止腐蝕進行；在動態應變作用下，位錯沿滑移面運動到試樣的標距段表面，形成滑移臺階；滑移臺階的反復出現使氧化膜出現破壞并產生縫隙，腐蝕溶液通過縫隙進入氧化膜-基體金屬界面，形成局部陽極溶解區，加速基體金屬的溶解；腐蝕一定程度后，氧化膜又重新形成，但在拉應力作用下，氧化膜再次發生破裂；氧化膜的反復破壞和形成促進了裂紋的萌生與擴展[24-25]。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉子鋼圖10 三種轉子鋼試樣經SSRT后的SCC裂紋形貌Fig. 10 Stress corrosion crack morphology of three rotor steel samples after SSRT

由圖10還可見：三種轉子鋼的應力腐蝕開裂形式均為穿晶開裂。有研究認為[26]，Cr元素在晶界處的擴散比在晶粒內部的更快，晶界處附近的氧化膜中Cr元素含量更高，具有更高的致密性與塑性，而在距離晶界更遠的氧化膜中的Cr含量較低，氧化膜強度與塑性較差，故更容易發生開裂。同時，這三種轉子鋼的晶粒度都在6級及以上，晶粒較細，增大了晶界面積，使得晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中，強化晶界，降低了沿晶開裂的可能[27]。

利用SEM在高倍下觀察腐蝕裂紋及表面氧化膜，并通過能譜儀(EDS)進行元素分析，結果見圖11～圖13。可以發現，三種轉子鋼試樣表面氧化膜中的Cr、Ni、Mo含量與基體中的相近，有的甚至高于基體中的，這表明在SCC過程中，金屬表面形成了含Cr、Ni、Mo的氧化層，對基體起到了保護作用。

3 結論

(1) 在180 ℃、3.5% NaCl溶液中，25Cr2Ni2MoV轉子鋼的SCC敏感性最高，而26NiCrMoV10-10和30Cr2Ni4MoV轉子鋼的SCC敏感性相近，且優于25Cr2Ni2MoV轉子鋼的。

(2) 轉子鋼的SCC敏感性受材料化學成分、微觀組織及力學性能的影響：Ni含量的增加，有利于降低材料的SCC敏感性；馬氏體組織的硬度、強度較高，塑性較低，具有更高的SCC敏感性。

(3) 在SSRT中，對于汽輪機轉子鋼，應變主導的腐蝕開裂沒有形成腐蝕坑，動態應變直接破壞表面氧化膜，促使裂紋萌生，并向金屬內部擴展，呈穿晶開裂的形式。

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結果 (c) 基體的EDS分析結果圖11 25Cr2Ni2MoV轉子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區域的EDS分析結果Fig. 11 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 25Cr2Ni2MoV rotor steel

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結果 (c) 基體的EDS分析結果圖12 26NiCrMoV10-10轉子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區域的EDS分析結果Fig. 12 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 26NiCrMoV10-10 rotor steel

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結果 (c) 基體的EDS分析結果圖13 30Cr2Ni4MoV轉子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區域的EDS分析結果Fig. 13 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 30Cr2Ni4MoV rotor steel