高温水中微量杂质对异材焊接件A508/52M和52M/316L应力腐蚀破裂的影响

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异材焊接件A508/52M/316L用于先进的第三代核电站AP1000以及后来建设的二代压水堆(PWR)核电站的某些关键位置,例如反应堆压力容器出口和主管道安全端的连接部位及其修复。由于其成分和组织结构复杂、位置关键、服役环境苛刻和安全可靠性要求高等特点使得人们对其高温水中的服役性能尤其是应力腐蚀破裂(SCC)性能高度关注。本课题组前期用缺口试样对该异材焊接件A508/52M/316L的研究表明,A508/52M界面区是整个焊接件抗SCC最薄弱的环节。但是由于52M/316L直接接触腐蚀性的高温水介质,因此其安全可靠性也比较重要。鉴于水中微量杂质如溶解氧(与电极电位相关)和杂质离子(如Cl-和SO42-)等共同作用对其SCC性能影响的系统研究报道较少,因此,本试验采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)结合水化学和电位控制的方法,系统地研究了杂质离子(Cl-和SO42-)和电极电位(与主回路水中溶解O2含量等因素相关的关键参数)对异种金属焊接件A508/52M/316L上A508/52M和52M/316L两个部分在相关高温高压水服役环境中SCC行为的影响。其中,SSRT试样为无缺口的圆棒状拉伸试样,A508/52M和52M/316L两个界面位于平行段而且垂直于拉伸方向,应变速率主要是1x10-61/s,还有少数试验是3.1x10-71/s。温度为290℃,溶液有三种:掺杂10g/m3Cl-的模拟PWR主回路水,掺杂10g/m3SO42-的模拟PWR主回路水,掺杂10g/m3Cl-和10g/m3SO42-模拟PWR主回路水。试验研究的相关结论如下:1.焊接件A508/52M在掺杂10g/m3Cl-的高温水中发生SCC的临界电位位于+100~+200mV之间,在掺杂10g/m3SO42-的高温水中发生SCC的临界电位位于+0~+100mV之间,在掺杂10g/m3Cl-和10g/m3SO42-的高温水中发生SCC的临界电位位于-100~0mV之间。在该临界电位或更高电位测试时,焊接件试样均脆性地断裂于焊接界面区域,靠近界面的52M侧发生沿晶SCC,界面和A508侧发生穿晶SCC。电位低于临界电位时,试样在远离界面的镍基合金焊缝中发生韧性机械断裂。2.本工作表明水中微量杂质离子Cl-和SO42-提高了焊接件A508/52M的SCC敏感性,主要表现为掺杂10g/m3Cl-或/和SO42-后发生SCC的临界电位下降。水中微量的杂质离子(Cl-和SO42-)和电极电位之间存在协同效应,明显的提高了焊接件在高温水中的SCC敏感性。3.焊接件52M/316L在含有不同杂质离子的溶液中应力腐蚀破裂行为对电极电位的响应比较复杂,部分电位下产生SCC裂纹,出现在不锈钢侧和焊接界面。在掺杂10g/m3Cl-的高温水中,该焊接件在+100mV时表现出比较明显的SCC敏感性,试样断裂于不锈钢侧,而在高于和低于+100mV的有些电位也可观察到相对微弱的SCC迹象。在掺杂10g/m3SO42-的高温水和同时掺杂10g/m3Cl-和10g/m3SO42-的高温水中,在较低电位区和高电位区不锈钢都表现出了相对于镍基合金焊缝较高的SCC敏感性。4.虽然有些电位下在不锈钢侧有SCC裂纹,但是焊接件52M/316L仍然发生宏观的韧性断裂,即试样有明显的颈缩。SCC裂纹只出现在颈缩区和焊接界面,这是在大应变、高应力条件下产生的。中断试验也表明,在颈缩之后的变形对于焊接件52M/316L的SCC裂纹的萌生和扩展过程具有关键的促进作用。5.在SSRT试验时,与316L相连接的对焊层焊缝出现焊接缺陷性裂纹(常与拉伸方向约呈45°)的频率明显大于与A508相连接的堆焊层。
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