唐琴燕,黃敏敏,許云偉,劉恒基,葉尚杰,姜思源
(中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司,杭州 310016)
摘 要:為探究S32101雙相不銹鋼焊接后接頭晶間腐蝕試驗不合格的原因,對晶間腐蝕試驗不合格的焊接接頭進(jìn)行了金相檢驗、X射線光電子能譜(XPS)分析和鐵素體含量測試。結(jié)果表明:晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學(xué)成分偏析,造成鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區(qū),導(dǎo)致材料的抗晶間腐蝕能力降低。另外,顯微組織中的鐵素體含量偏低,也增加了貧鉻區(qū)形成的可能性,進(jìn)一步降低了抗晶間腐蝕能力。
關(guān)鍵詞:晶間腐蝕;金相檢驗;X射線光電子能譜分析;鐵素體;貧鉻區(qū)
中圖分類號:TG17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)05-0014-04
CauseofFailureinIntergranularCorrosionTestofS32101Duplex
StainlessSteelWeldedJoint
TANGQinyan,HUANG Minmin,XUYunwei,LIUHengji,YEShangjie,JIANGSiyuan
(ChinaEnergyEngineeringGroupZhejiangThermalPowerConstructionCo.,Ltd.,Hangzhou310016,China)
Abstract:InordertoexplorethereasonofunqualifiedintergranularcorrosiontestofS32101duplexstainless
steelweldedjoint,metallographicexamination,Xrayphotoelectronspectroscopy(XPS)analysisandferritecontent
testwerecarriedoutonweldedjointwhichfailedinintergranularcorrosiontest.Theresultsshowthatthereason
forthefailureofintergranularcorrosiontestisthatthereischemicalcompositionsegregationinthe material,
resultinginthelowcontentofchromium,andchromium carbideprecipitatesatthegrainboundaryduringthe
weldingprocess,formingachromiumpoorzone,whichleadstothereductionofintergranularcorrosionresistance
ofthematerial.Inaddition,thelowcontentofferriteinthemicrostructurealsoincreasesthepossibilityofthe
formationofchromiumpoorzoneandfurtherreducestheresistancetointergranularcorrosion.
Keywords:intergranularcorrosion;metallographicexamination;X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis;
ferrite;chromiumpoorzone
核能 發(fā) 電(簡 稱 核 電)作 為 一 種 安 全、高 效 的清潔能源,在 全 球 范 圍 內(nèi) 被 廣 泛 應(yīng) 用。據(jù) 國 際 原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)統(tǒng)計,到2019年6月底,全球共有449臺核電 機(jī) 組 在 運(yùn) 行,分 布 在 30 個 國 家,核電發(fā)電容量近4億 kW,另有54臺核電機(jī)組在建,發(fā)電容 量 約 為 5500萬kW。我 國 大 陸 運(yùn) 行 核 電機(jī)組共47臺,發(fā)電容量4873萬kW;在建機(jī)組11臺,發(fā)電 容 量 約 1134萬kW,多 年 來 保 持 全 球 首位[1]。在核 電 應(yīng) 用 及 發(fā) 展 前 景 持 續(xù) 看 好 的 情 況下,核電安 全 也 引 起 全 球 的 重 視。
在 核 電 站 建 設(shè) 中,對其結(jié)構(gòu)材料的要求非常嚴(yán)苛,其中一項就是 要求材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。雙相不銹鋼憑 借其優(yōu)異的 力 學(xué) 性 能、耐 腐 蝕 性 能 和 焊 接 性 能 在 第三代核電機(jī)組中被廣泛應(yīng)用。在非能動先進(jìn)壓 水堆 AP1000核 電 站,S32101 雙 相 不 銹 鋼 被 用 于 換料通道、乏 燃 料 水 池、換 料 水 池、反 應(yīng) 堆 腔 室 等 位置。對于在建非能動先進(jìn)壓水堆 AP1400核電 站,S32101雙相不銹鋼也被用于輔助廠房6區(qū)的 鋼板混凝土 模 塊、蒸 汽 發(fā) 生 器 隔 間 和 換 料 通 道 模 塊、內(nèi)置換料水箱模塊、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的強(qiáng) 模塊等結(jié)構(gòu)模塊的安裝中。
與鐵素體不銹鋼相比,S32101雙相不銹鋼的塑性、韌性更高,無室溫脆性,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均較高,同時還具有鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性、導(dǎo)熱系數(shù)高及具有超塑性等特點(diǎn);與奧氏體不銹鋼相比,S32101雙相不銹鋼的強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能明顯提高。但 S32101雙相不銹鋼在氧化和弱氧化介質(zhì)中容易發(fā)生晶間腐蝕,晶間腐蝕是從表面沿晶界向內(nèi)部延伸的,會使材料的強(qiáng)度嚴(yán)重降低,導(dǎo)致材料受到較小的外力就會沿晶界斷裂,而表面卻完好、光亮,所以晶間腐蝕是一種具有極大危險性的破壞,因此要求材料必須具有足夠的抗晶間腐蝕能力。某工廠為保證產(chǎn)品質(zhì)量,必須對經(jīng)施焊的構(gòu)件進(jìn)行焊接接頭晶間腐蝕試驗[2]。但是在一次 S32101鋼的焊接工藝評定中發(fā)現(xiàn),焊縫區(qū)有裂紋缺陷,即焊接接頭的晶間腐蝕試驗不合格,為找到焊接接頭晶間腐蝕試驗的不合格原因,筆者進(jìn)行了一系列分析。
1 晶間腐蝕機(jī)理
不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中,其晶粒之間發(fā)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕,晶間腐蝕機(jī)理如圖1所示。晶間腐蝕可以發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線等位置,其中在熔合線上發(fā)生的晶間腐蝕又稱刀 線 腐 蝕。 有 試 驗 表 明,鉻 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 大 于10%~12%時不銹鋼才會具有耐腐蝕能力[3]。介質(zhì)中,貧 鉻 區(qū) 會 失 去 耐 腐 蝕 能 力 而 發(fā) 生 晶 間 腐蝕[6]。
2 晶間腐蝕試驗
采用合格的材料、設(shè)備和合理的工藝進(jìn)行焊接,接頭經(jīng)過射線檢測合格后,根據(jù)ISO3651-1:1998Determination of resistance to intergranularcorrosion of stainlesssteelsPart1:Austeniticandferritic-austenitic(duplex)stainlesssteels—Corrosion test in nitric acid mediumbymeasurementoflossinmass(Hueytest)的技術(shù)要求對焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗,試驗過程如下。
(1)敏化熱處理,將試樣加熱到(700±10)℃后保溫30min,然后水冷。
(2)試樣表面處理,用砂紙去除試樣表面的氧化皮,并進(jìn)行去油處理。
(3)配 制 腐 蝕 液,在 700 mL 蒸 餾 水 中 溶 解100g五水硫酸銅(CuSO4·5H2O),加入100mL硫酸(密度ρ為1.84g·mL-1),然后加水至溶液達(dá)到1000mL。
(4)腐蝕試驗,將處理好的試樣嵌入燒瓶底部的電工級銅屑中,試樣應(yīng)與銅屑接觸,但試樣之間互相不接觸。首先把試樣浸入冷的腐蝕液中,然后將溶液加熱到沸騰,并使腐蝕液保持沸騰20h。
(5)彎曲試驗,腐蝕試驗完成后,在一個半徑不超過試樣厚度的芯棒上對試樣進(jìn)行至少90°的彎曲試驗。晶間腐蝕試驗結(jié)果如圖2所示,可見焊縫處有裂紋缺陷。
2 晶間腐蝕試驗
采用合格的材料、設(shè)備和合理的工藝進(jìn)行焊接,接頭經(jīng)過射線檢測合格后,根據(jù)ISO3651-1:1998Determination of resistance to intergranularcorrosion of stainlesssteelsPart1:Austeniticandferritic-austenitic(duplex)stainlesssteels—Corrosion test in nitric acid medium bymeasurementoflossinmass(Hueytest)的技術(shù)要求對焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗,試驗過程如下。
(1)敏化熱處理,將試樣加熱到(700±10)℃后保溫30min,然后水冷。
(2)試樣表面處理,用砂紙去除試樣表面的氧化皮,并進(jìn)行去油處理。
(3)配 制 腐 蝕 液,在 700 mL 蒸 餾 水 中 溶 解100g五水硫酸銅(CuSO4·5H2O),加入100mL硫酸(密度ρ為1.84g·mL-1),然后加水至溶液達(dá)到1000mL。
(4)腐蝕試驗,將處理好的試樣嵌入燒瓶底部的電工級銅屑中,試樣應(yīng)與銅屑接觸,但試樣之間互相不接觸。首先把試樣浸入冷的腐蝕液中,然后將溶液加熱到沸騰,并使腐蝕液保持沸騰20h。
(5)彎曲試驗,腐蝕試驗完成后,在一個半徑不超過試樣厚度的芯棒上對試樣進(jìn)行至少90°的彎曲試驗。
晶間腐蝕試驗結(jié)果如圖2所示,可見焊縫處有裂紋缺陷。
3 結(jié)果及分析
3.1 微觀形貌
對圖2中區(qū)域2焊縫裂紋區(qū)表面打磨、拋光后,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察,其微觀形貌如圖3所示?？梢娏鸭y沿晶界擴(kuò)展,裂紋附近存在圓形腐蝕坑。因此判斷該裂紋屬于晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋,裂紋附近有圓形腐蝕坑,說明焊接過程中,在敏感溫度區(qū)停留時間過長,造成碳化物析出。
可見裂紋沿晶界擴(kuò)展,裂紋附近存在圓形腐蝕坑。因此判斷該裂紋屬于晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋,裂紋附近有圓形腐蝕坑,說明焊接過程中,在敏感溫度區(qū)停留時間過長,造成碳化物析出。
3.2 金相檢驗
在圖2中區(qū)域2焊縫裂紋區(qū)截取金相試樣,打磨、拋光后,對試樣表面浸蝕,然后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察,顯微組織形貌如圖4所示,可見顯微組織為奧氏體+鐵素體(黑色凹坑處為鐵素體),晶粒與晶粒之間呈溝槽狀。
3.3 X射線光電子能譜分析
X 射線光電子能譜(XPS)是一種基 于 光 電 效應(yīng)的電子能譜,其是利用 X 射線光子激發(fā)出物質(zhì)表面原子的內(nèi)層電 子,然 后 通 過 對 這 種 電 子 進(jìn) 行能量分析而獲得 的 一 種 電 子 能 譜[7-9]。 對 圖 2 中的區(qū)域 1 與 區(qū) 域 2 分 別 進(jìn) 行 XPS分 析,結(jié) 果 如圖5和圖 6 所 示,橫 坐 標(biāo) 表 示 的 是 電 子 束 縛 能(能直接 反 映 電 子 殼 層、能 級 結(jié) 構(gòu) 或 動 能),縱 坐標(biāo)表示相對光 電 子 流 強(qiáng) 度,可 見 區(qū) 域 1 與 區(qū) 域 2均含有鈉、鐵、鉻、氧、氮、碳 和 氯 元 素。去 掉 圖 5和圖6 中 非 相 關(guān) 元 素 之 后,得 到 的 有 效 數(shù) 據(jù) 如表1所示。
由表1可知,出現(xiàn)裂紋的區(qū)域2在焊接過程中產(chǎn)生了化學(xué)成分偏析,造成區(qū)域2鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,遠(yuǎn)未達(dá)到焊材質(zhì)保書中21.5%~23.5%的要求,致使該處抗晶間腐蝕能力減弱。電化學(xué)從本質(zhì)上來說,是材料中各物質(zhì)在腐蝕介質(zhì)中的溶解速率不同,從而產(chǎn)生電極電位差,形成陰、陽兩極,會進(jìn)一步導(dǎo)致陽極的加速溶解[10]。鉻元素會在材料表面形成一層致密的鈍化膜,降低陽極的溶解速率,而晶界處貧鉻區(qū)的鉻鈍化膜不完整,最先被腐蝕,從而導(dǎo)致晶間腐蝕。
3.4 鐵素體含量測試
用磁性法[11]對試樣的焊縫區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行鐵素體含量測試,結(jié)果如表2所示。可見裂紋所在區(qū)域(區(qū)域2)的鐵素體含量過低,則奧氏體含量高,奧氏體在碳化鉻析出時,更多的鉻留在了奧氏體晶粒內(nèi)導(dǎo)致更容易形成貧鉻區(qū),進(jìn)而增大發(fā)生晶間腐蝕的可能性。
4 結(jié)論
晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學(xué)成分偏析,造成鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區(qū),導(dǎo)致材料的抗晶間腐蝕能力降低。另外,顯微組織中的鐵素體含量偏低,也增加了貧鉻區(qū)形成的可能性,進(jìn)一步降低了抗晶間腐蝕能力。
5 改進(jìn)措施
為提高核電站中雙相不銹鋼的抗晶間腐蝕能力,要嚴(yán)格控制焊接工藝,避免發(fā)生晶間偏析;縮短焊接過程中在敏化區(qū)的停留時間,抑制貧鉻區(qū)的形成;控制鐵素體的含量,不能過低亦不能過高。