高温高压水环境下690TT合金传热管微动磨损研究

初起宝,黄 倩,张梦阳,蒋庆磊,谭 蔚

(1.天津大学 化工学院,天津 300350;2.生态环境部 核与辐射安全中心,北京 100082;3.北京科技大学,北京 100083;4.中核武汉核电运行技术股份有限公司,湖北 武汉 430223)

蒸汽发生器(SG)是压水堆核电厂一回路、二回路的枢纽,承担着一、二回路的压力边界,它的完整性对于核电站的安全运行十分重要。蒸汽发生器运行过程中,二次侧流动会引起传热管的振动,进而导致传热管与支撑部件发生碰撞,由此产生的传热管磨损称之为微动磨损[1-5]。微动磨损几乎存在于所有SG中且伴随其运行过程长期存在,它一般发生在传热管与支撑件接触的区域,如弯管区传热管与防振条的接触位置等。随着SG服役年限的增加,管内流体扰动或压力变动造成的传热管和支撑板之间的微动磨损,引起传热管失效现象逐渐增加[6-7]。微动磨损导致管壁的减薄甚至破裂,从而造成传热效率下降及放射性物质的泄漏。

对于SG传热管的微动磨损现象,国内外开展了不少相关试验研究,主要集中于揭示传热管在不同环境下微动磨损的损伤机制及微动磨损的影响因素[8-10],但在高温高压水环境中传热管材料的微动磨蚀行为和损伤机制研究还不充分[11-12]。本文通过模拟传热管服役环境,探究在高温高压水环境中,蒸汽发生器传热管材料690TT合金的微动磨损行为。

1 试验

1.1 试验材料

本文选取外径17.47 mm、壁厚1.01 mm的国产690TT合金管,以及厚4 mm、宽12 mm的405SS不锈钢作为试验材料,并对试样做硬度、晶粒度测量。405SS经过轧制和热处理,组织呈现不均匀分布,中间部分结晶完好,边缘部分未完全结晶,这将导致试样材料性能不均匀。将试样中间和边缘两部分单独进行分析,如图1a所示。图1b为405SS试样边缘位置的显微组织形貌图,图1c为405SS试样中间位置的显微组织形貌图,边缘位置的晶粒呈等轴状,而中间位置的晶粒呈变形态,沿同一方向被拉长,且晶粒尺寸粗大。图1d为690TT合金的扫描电子显微镜(SEM)形貌图。690TT合金为单相奥氏体合金,由等轴晶粒组成,690TT合金经过敏化处理,使晶界处的铬含量增加,在晶界处形成M23C6相,并含有一定量的Ti(C,N),具有较好的抗腐蚀能力[13]。

图1 405SS分析位置示意图、边缘位置和中间位置的显微织形貌图以及690TT的SEM形貌图Fig.1 Morphology analysis position, microstructures of middle and margin of 405SS, and SEM diagram of 690TT alloy

690TT、405SS的粗糙度、晶粒度及硬度列于表1,其中405SS因为经过轧制和热处理后组织不均匀,故对405SS试样边缘和中间部分单独分析。690TT与405SS组成摩擦副时,其接触部位硬度相差不大。405SS粗糙度和晶粒度都明显大于690TT。

表1 690TT、405SS的粗糙度、晶粒度及硬度Table 1 Roughnesses, grain sizes and hardness of 690TT and 405SS

1.2 试验装置和工况

试验采用国内自主研发的微动磨损试验系统,主要用于在高温高压水环境下对管状、板状摩擦副进行微动磨损试验。装置示意图如图2所示,主要包括微动磨损装置、水化学装置、控制柜、预加热装置以及冷水机。其中磨损装置是主要工作部分,由高压釜、驱动电机、摩擦副夹具组成。釜内布置力和位移传感器测得釜内试样径向力、切向位移振幅和频率。水化学装置为试验提供所需的水化学环境和介质压力,并对水环境电导率、pH值、溶解氧含量(DO值)等参数进行实时测量。预加热装置为试验回路提供一定的高温,可快速加热,然后通过高压釜内的电加热丝进行二次加热;冷水机为水化学装置和主机提供冷却,保证设备正常运行。

图2 微动磨损试验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of fretting wear experimental system

高温高压水环境微动磨损试验参数列于表2。试验后将试样放入无水乙醇中超声清洗15 min,清除磨损表面的松散磨屑。

表2 高温高压水环境微动磨损试验参数Table 2 Experimental parameter of fretting wear in high temperature and high pressure water environment

微动磨损试验完成后,使用白光干涉仪进行磨损体积、磨损三维形貌及截面轮廓分析,计算得出690TT合金传热管在高温高压水环境下的磨损系数。使用SEM和能谱仪(EDS)进行磨损表面微观形貌观察和化学成分分析,探究高温高压水环境690TT和405SS磨损机制。

2 结果分析及讨论

2.1 磨损行为分析

图3为690TT合金在循环周次为5×105和6×105时不同振幅的截面轮廓和最大磨损深度。由图3a、b可知,当振幅为20 μm时,低于摩擦副原始表面的部分较少,故材料损失最小,磨损深度较小。随着振幅的增加,材料损失逐渐增大,当振幅为150 μm时,磨损深度最大。由图3c可知,当循环周次为5×105时,振幅为20 μm时最大磨损深度较小,随着振幅的增加,磨损加剧,磨损最大振幅不断增大,当振幅为150 μm时,最大磨损深度达到最大。当循环周次为6×105次时,最大磨损深度与循环周次为5×105时有相同的变化规律。当振幅相同时,与循环周次为5×105时相比,循环周次为6×105时的磨损深度均有所增加,但差别不大。

图4为循环周次为5×105和6×105时不同振幅的磨损体积。从图4可知,当循环周次为5×105时,振幅由20 μm增加到50 μm,磨损体积从0.58×109μm3急剧增加到1.12×109μm3。当振幅为150 μm时,磨损体积增加到最大值1.43×109μm3。当循环周次为6×105时,磨损体积随振幅的变化规律与5×105时的相同。当振幅相同时,与循环周次为5×105时相比,循环周次为6×105时的磨损体积更大。

图4 循环周次5×105、6×105时不同振幅的磨损体积Fig.4 Wear volumes of different amplitudes at 5×105 and 6×105 cycles

Archard公式被广泛用于微动磨损行为评价,其主要作用是获取材料磨损系数。方程假设材料磨损系数为常数,用公式表示为:

V=KFS

(1)

其中:V为磨损体积;K为磨损系数;F为法向接触力;S为切向滑移距离。由于试验中摩擦副被加载正弦位移,因此S可通过下式计算:

S=4Aft

(2)

其中:A为正弦位移幅值;f为加载频率;t为试验时间。将式(2)代入式(1)后,等式两边对时间t求导后得到磨损速率和磨损系数的关系:

V=4KFAf

(3)

研究[14]发现磨损系数在微动磨损过程中不是保持稳定的,而是在磨损初期迅速到达峰值后,缓慢下降最终趋于稳定。因此,为了获取准确的磨损系数,应对式(1)作如下调整:

DV=KF·DS

(4)

其中,DV和DS分别为某段时间内磨损体积变化量和滑移距离变化量。5×105和6×105磨损次数对应的磨损时间分别为4.63 h和5.56 h,因此磨损系数K表示为:

(5)

基于式(5)得到图5所示的不同振幅下磨损系数变化。由图5可知,磨损系数由位移幅值为20 μm时的1.014×10-13Pa-1快速增加至位移幅值为50 μm时的1.939×10-13Pa-1;随着位移幅值继续增加至100 μm时,磨损系数的增速减缓,磨损系数增加至2.358×10-13Pa-1;随着位移幅值进一步增加至150 μm时,磨损系数增加至3.653×10-13Pa-1。

图5 不同振幅的磨损系数Fig.5 Wear coefficients of different amplitudes

在高温高压水中,腐蚀磨损是微动磨损中的主要机理。振幅较小时,接触状态为黏着,高温水难以进入接触面,腐蚀的作用较小;振幅逐渐增加,接触副相对滑动,高温水腐蚀作用显著,机械磨损和腐蚀磨损相互促进,使磨损体积迅速增加;当振幅较高时,稳定的氧化磨屑层形成后,磨损体积的增速逐渐降低。

2.2 磨损机制分析

图6～9分别为振幅20、50、100和150 μm时,循环周次为5×105、6×105时的磨损表面区域和局部放大的SEM图。如图7a和c所示,振幅为20 μm时,磨损为不连续的线状,线状的中心黏着区大部分区域未被损伤,几乎与基体表面一致,部分区域受到损伤。由表面局部放大形貌(图6b和d)可知,磨损表面主要为部分滑移区,在接触中心,磨损机制以黏着磨损为主,在接触边缘,磨损机制以氧化磨损为辅,因此部分滑移区的磨损体积较小。当振幅增大到50 μm时,如图7a和c所示,磨损宽度增加。磨损形貌依然呈现部分滑移区的特征,振幅增加,接触体之间的相对滑动变得容易,黏着区塑性变形逐渐积累,微滑区磨损程度加剧。由表面局部放大形貌(图7b和d)可知,振幅增加,黏着处发生材料的撕裂,较大尺寸的金属颗粒脱落后在往复碾压作用下形成磨屑,同时在管表面形成较大的磨坑。当振幅进一步增大到100 μm时,如图8a和c所示,磨损宽度进一步增加。部分滑移区逐渐转变为完全滑移区,中心的黏着区几乎消失,磨损表面被第三体(存在于摩擦表面的摩擦产物,将两体摩擦变为三体摩擦)覆盖,相应的主要磨损机制转变为氧化磨损和剥层磨损,从表面局部放大形貌(如图8b和d)可知,磨损表面存在大量第三体和剥层产生的大尺寸金属颗粒。当振幅为150 μm时,磨屑的产生和排出速度增加,表面存在大量第三体,磨损宽度达到最大,如图9a和c所示。磨损中心的磨屑呈波浪形且磨屑聚集程度较高,剥层脱落后在磨损表面形成磨坑,如图9b、d所示。在高温高压水环境下,机械磨损和氧化磨损是微动磨损的主要机制。由图9e可知,往复运动所产生的磨屑被氧化,形成八面体氧化物颗粒,其元素组成如图9f所示。同时由图6～9可知,循环周次由5×105增加到6×105,相同振幅时的磨损宽度逐渐增加。

图6 振幅为20 μm时690TT合金循环周次为5×105(a, b)和6×105(c,d)时的磨蚀形貌和局部放大SEM图Fig.6 Fretting corrosion morphology and local magnification SEM images after 5×105(a, b) and 6×105(c, d) cycles at displacement amplitude of 20 μm of 690TT alloy

图7 振幅为50 μm时690TT合金循环周次为5×105(a,b)和6×105(c,d)的磨损形貌和局部放大SEM图 Fig.7 Fretting corrosion morphology and local magnification SEM images after 5×105(a, b) and 6×105(c, d) cycles at displacement amplitude of 50 μm of 690TT alloy

图8 振幅为100 μm时690TT合金循环周次为5×105(a,b)和6×105(c,d)的磨损形貌和局部放大SEM图 Fig.8 Fretting corrosion morphology and local magnification SEM images after 5×105(a, b) and 6×105(c, d) cycles at displacement amplitude of 100 μm of 690TT alloy

图9 振幅为150 μm时690TT合金循环周次为5×105(a,b)和6×105(c,d)的磨损形貌和局部放大SEM图,磨屑SEM图和能谱分析(e,f) Fig.9 Fretting corrosion morphology and local magnification SEM images after 5×105(a, b) and 6×105(c, d) cycles at displacement amplitude of 150 μm of 690TT alloy, SEM image and energy spectrum analysis of abrasive dust (e, f)

图10为振幅100 μm、循环周次5×105和6×105时EDS测得的磨损表面元素线分布图谱。由图谱可知,690TT合金是Ni基合金,405SS是Fe基合金,但是690TT合金的磨损表面Fe含量较高,这说明有405SS的磨损材料转移到690TT合金表面。磨损后材料表面磨损区的O含量增加,而未磨损区域氧含量较低,表明磨损表面被氧化,这一结果与图9e中的结果一致,说明存在氧化磨损。在该磨损条件下,未观察到690TT合金表面有裂纹萌生,主要的磨损机制为氧化磨损、磨粒磨损和剥层磨损。

图10 振幅为100 μm、循环周次为5×105(a)和6×105(b)时EDS测得的690TT合金磨损表面元素线分布图Fig.10 Line distribution of elements on wear scars surface of 690TT alloy measured by EDS after 5×105 (a) and 6×105 (b) cycles at displacement amplitude of 100 μm

3 结论

通过对国产690TT合金传热管和405SS组成的摩擦副在高温高压水环境下开展微动磨损试验,分析后得出如下结论。

1) 在高温高压水环境中,振幅从20 μm增加到150 μm时,690TT合金管在磨损5×105次时瞬态磨损系数从1.014×10-13Pa-1系数增加至3.653×10-13Pa-1。

2) 在高温高压水环境中,微动磨损情况极为复杂,多种磨损机制的联合作用造成微动损伤,其中包含黏着磨损、疲劳磨损、剥层磨损和氧化(腐蚀)等。振幅较小时,主要的磨损机制为黏着磨损,特征区域为黏着区,振幅增大时,磨损机制转变为氧化磨损、剥层磨损和磨粒磨损。

3) 循环周次影响磨损深度和磨损宽度,对损伤机制改变影响较小。