唐琴燕,黃敏敏,許云偉,劉恒基,葉尚杰,姜思源
(中國能源建設集團浙江火電建設有限公司,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。結果表明:晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學成分偏析,造成鉻的質量分數偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區,導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,也增加了貧鉻區形成的可能性,進一步降低了抗晶間腐蝕能力。
關鍵詞:晶間腐蝕;金相檢驗;X射線光電子能譜分析;鐵素體;貧鉻區
中圖分類號:TG17 文獻標志碼: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 電(簡 稱 核 電)作 為 一 種 安 全、高 效 的清潔能源,在 全 球 范 圍 內 被 廣 泛 應 用。據 國 際 原子能機構(IAEA)統計,到2019年6月底,全球共有449臺核電 機 組 在 運 行,分 布 在 30 個 國 家,核電發電容量近4億 kW,另有54臺核電機組在建,發電容 量 約 為 5500萬kW。我 國 大 陸 運 行 核 電機組共47臺,發電容量4873萬kW;在建機組11臺,發電 容 量 約 1134萬kW,多 年 來 保 持 全 球 首位[1]。在核 電 應 用 及 發 展 前 景 持 續 看 好 的 情 況下,核電安 全 也 引 起 全 球 的 重 視。
在 核 電 站 建 設 中,對其結構材料的要求非常嚴苛,其中一項就是 要求材料具有優異的耐腐蝕性能。雙相不銹鋼憑 借其優異的 力 學 性 能、耐 腐 蝕 性 能 和 焊 接 性 能 在 第三代核電機組中被廣泛應用。在非能動先進壓 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 堆 腔 室 等 位置。對于在建非能動先進壓水堆 AP1400核電 站,S32101雙相不銹鋼也被用于輔助廠房6區的 鋼板混凝土 模 塊、蒸 汽 發 生 器 隔 間 和 換 料 通 道 模 塊、內置換料水箱模塊、化學和容積控制系統的強 模塊等結構模塊的安裝中。
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、導熱系數高及具有超塑性等特點;與奧氏體不銹鋼相比,S32101雙相不銹鋼的強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應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中容易發生晶間腐蝕,晶間腐蝕是從表面沿晶界向內部延伸的,會使材料的強度嚴重降低,導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。某工廠為保證產品質量,必須對經施焊的構件進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現,焊縫區有裂紋缺陷,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,筆者進行了一系列分析。
1 晶間腐蝕機理
不銹鋼在腐蝕介質中,其晶粒之間發生的一種腐蝕現象稱為晶間腐蝕,晶間腐蝕機理如圖1所示。晶間腐蝕可以發生在焊接接頭的熱影響區、焊縫或熔合線等位置,其中在熔合線上發生的晶間腐蝕又稱刀 線 腐 蝕。 有 試 驗 表 明,鉻 的 質 量 分 數 大 于10%~12%時不銹鋼才會具有耐腐蝕能力[3]。介質中,貧 鉻 區 會 失 去 耐 腐 蝕 能 力 而 發 生 晶 間 腐蝕[6]。
2 晶間腐蝕試驗
采用合格的材料、設備和合理的工藝進行焊接,接頭經過射線檢測合格后,根據ISO3651-1:1998Determination of resistance to intergranularcorrosion of stainlesssteelsPart1:Austeniticandferritic-austenitic(duplex)stainlesssteels—Corrosion test in nitric acid mediumbymeasurementoflossinmass(Hueytest)的技術要求對焊接接頭進行晶間腐蝕試驗,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行至少90°的彎曲試驗。晶間腐蝕試驗結果如圖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、設備和合理的工藝進行焊接,接頭經過射線檢測合格后,根據ISO3651-1:1998Determination of resistance to intergranularcorrosion of stainlesssteelsPart1:Austeniticandferritic-austenitic(duplex)stainlesssteels—Corrosion test in nitric acid medium bymeasurementoflossinmass(Hueytest)的技術要求對焊接接頭進行晶間腐蝕試驗,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行至少90°的彎曲試驗。
晶間腐蝕試驗結果如圖2所示,可見焊縫處有裂紋缺陷。
3 結果及分析
3.1 微觀形貌
對圖2中區域2焊縫裂紋區表面打磨、拋光后,在光學顯微鏡下進行觀察,其微觀形貌如圖3所示。可見裂紋沿晶界擴展,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,在敏感溫度區停留時間過長,造成碳化物析出。
可見裂紋沿晶界擴展,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,在敏感溫度區停留時間過長,造成碳化物析出。
3.2 金相檢驗
在圖2中區域2焊縫裂紋區截取金相試樣,打磨、拋光后,對試樣表面浸蝕,然后在光學顯微鏡下進行觀察,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 效應的電子能譜,其是利用 X 射線光子激發出物質表面原子的內層電 子,然 后 通 過 對 這 種 電 子 進 行能量分析而獲得 的 一 種 電 子 能 譜[7-9]。 對 圖 2 中的區域 1 與 區 域 2 分 別 進 行 XPS分 析,結 果 如圖5和圖 6 所 示,橫 坐 標 表 示 的 是 電 子 束 縛 能(能直接 反 映 電 子 殼 層、能 級 結 構 或 動 能),縱 坐標表示相對光 電 子 流 強 度,可 見 區 域 1 與 區 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 元 素 之 后,得 到 的 有 效 數 據 如表1所示。
由表1可知,出現裂紋的區域2在焊接過程中產生了化學成分偏析,造成區域2鉻質量分數降低,遠未達到焊材質保書中21.5%~23.5%的要求,致使該處抗晶間腐蝕能力減弱。電化學從本質上來說,是材料中各物質在腐蝕介質中的溶解速率不同,從而產生電極電位差,形成陰、陽兩極,會進一步導致陽極的加速溶解[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,而晶界處貧鉻區的鉻鈍化膜不完整,最先被腐蝕,從而導致晶間腐蝕。
3.4 鐵素體含量測試
用磁性法[11]對試樣的焊縫區域1和區域2進行鐵素體含量測試,結果如表2所示。可見裂紋所在區域(區域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導致更容易形成貧鉻區,進而增大發生晶間腐蝕的可能性。
4 結論
晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學成分偏析,造成鉻的質量分數偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區,導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,也增加了貧鉻區形成的可能性,進一步降低了抗晶間腐蝕能力。
5 改進措施
為提高核電站中雙相不銹鋼的抗晶間腐蝕能力,要嚴格控制焊接工藝,避免發生晶間偏析;縮短焊接過程中在敏化區的停留時間,抑制貧鉻區的形成;控制鐵素體的含量,不能過低亦不能過高。