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1、核电设备奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀试验,2014.06,上海核工程研究设计院,什么叫晶间腐蚀晶间腐蚀的防止和消除常见晶间腐蚀试验方法问题交流与探讨,目录,一、晶间腐蚀的机理,晶间腐蚀是一种由微电池作用而引起的局部腐蚀现象，是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。这种腐蚀主要是从表面开始，沿着晶界向内部发展，直至成为溃疡式腐蚀，整个金属强度几乎完全丧失。其腐蚀特征是，在表面还看不出腐蚀特征时，晶粒之间已丧失了结合力，失去金属声音，严重时，只要轻轻敲打就可破碎，甚至形成粉状。因此，它是一种危害性很大的局部腐蚀。,晶间腐蚀定义,一、晶间腐蚀的机理,1)晶间区偏析杂质或第二相选择性溶解
2、理论 非敏化态晶间腐蚀机理主要是晶间区偏析杂质或第二相选择性溶解理论。该理论认为，偏析于晶界上的杂质元素(如P和Si)或沉淀析出相(如相或亚显微的相)的选择性溶解是引起晶间腐蚀的原因。2)贫Cr理论 奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫Cr理论。,晶间腐蚀机理,一、晶间腐蚀的机理,贫Cr理论 对奥氏体不锈钢而言其晶间腐蚀的原因是由于晶界区贫铬所引起的。含碳量高于0.02%的奥氏体不锈钢中，碳与铬能生成碳化物(Cr23C6)。这些碳化物经过高温淬火，以固溶态溶于奥氏体中，铬均匀分布，使合金各部分铬含量均在钝化所需值即12%以上。这种过饱和固溶体在室温下虽然暂时保持这种状态，但它是不稳定的。如
3、果加热到敏化温度范围内，碳化物就会沿晶界析出，铬便从晶界边界的固溶体中分离出来。由于铬的扩散速度很慢，远低于碳的扩散速度，不能从晶粒内固溶体中扩充到晶界，因而只能消耗晶界附近的铬，造成晶粒边界贫铬区。,晶间腐蚀机理,一、晶间腐蚀的机理,贫Cr理论 贫铬区的含铬量远低于钝化所需要的极限值，其电位比晶粒内部的电位低。更低于碳化物的电位。贫铬区和碳化物紧密相连，当遇到一定腐蚀介质时就会发生短路电池效应。该情况下碳化铬和晶粒呈阴极，贫铬区呈阳极，迅速被侵蚀。,晶间腐蚀机理,二、晶间腐蚀的防止和消除,加热温度和加热时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响,如图1 所示。当加热温度小于450或大于850时,不会产
4、生晶间腐蚀。因为温度小于450时,由于温度较低,不会形成碳化铬。当温度超过850时,晶粒内的铬扩散能力增强,有足够的铬扩散至晶界和碳化合,不会在晶界形成“贫铬区”。所以产生晶间腐蚀的加热温度是在450 850,这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的”危险温度区”(又称”敏化温度区”),其中尤以650最危险。焊接时焊缝两侧处于”危险温度区”的地带最易发生晶间腐蚀。即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过”危险温度区”,所以也会产生晶间腐蚀。,控制加热温度和时间,二、晶间腐蚀的防止和消除,控制加热温度和时间,二、晶间腐蚀的防止和消除,随着不锈钢中含碳量的增加,在晶界生成的碳化铬随之增多,结果就使得在晶界
5、形成“贫铬区“的机会增多,导致产生晶间腐蚀的倾向增加,所以碳是晶间腐蚀最有害的元素。一般认为奥氏体不锈钢中含碳量降低到0.020.03%以下，便可避免晶间腐蚀。,控制含碳量,二、晶间腐蚀的防止和消除,在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb 等与碳的结合能力比铬更强的元素,能够与碳结 合成稳定的碳化物,可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区。所以,常用奥氏体不锈钢及焊接材料中都含有Ti 或Nb 元素,如ER347等。,二、晶间腐蚀的防止和消除,焊后,将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至10501100,此时碳又重新溶入奥氏体中,然后急速冷却,便可得到稳定的奥氏体组织,消除贫铬区。这种方法叫固溶处理。固溶处理的缺
6、点是,如果焊接接头需要在危险的温度区工作,则仍不可避免地会形成贫铬区。,进行固溶处理,二、晶间腐蚀的防止和消除,焊后,将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至850900,保温2 h,使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散到晶界,使晶界处的含铬量又恢复到大于12%(质量分数),贫铬区得以消失,这叫均匀化处理。,进行均匀化处理,二、晶间腐蚀的防止和消除,在相同碳含量时，含有5%的铁素体组织的奥氏体不锈钢将明显改善其乃晶间腐蚀性能。,铁素体含量的影响,三、晶间腐蚀试验方法,核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法,(a)GB/T 4334 E法不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法(b)ASTM A262 E法
7、 CopperCopper SulfateSulfuric Acid Test for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels(c)RCC-M-2007 MC1300 Accelerated Intergranular Corrosion Test of Austenitic Stainless 18-10 Chromium Nickel Steel,三、晶间腐蚀试验方法,核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法,三、晶间腐蚀试验方法,核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀
8、试验方法,三、晶间腐蚀试验方法,核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法,四、晶间腐蚀要求,西屋设计中对晶间腐蚀的要求,1 在后续的制造过程中，除了局部的焊接操作，材料不允许加热超过427。焊接时，应控制热输入以防止发生敏化。2 如在制造期间，不锈钢不慎暴露于敏化温度范围，应根据ASTM A262进行晶间腐蚀试验，以验证其对晶间腐蚀不敏感。如果不能证实这种材料对晶间腐蚀不敏感，材料应重新固溶处理或拒收。但以下情况不要求进行试验：1）铁素体含量不低于5%（对焊缝金属，为5FN）的铸造金属或焊缝金属；2）碳含量小于等于0.03%的材料。3 反应堆冷却剂管道在经历弯曲或其它可能产生过量残余应力的
9、制造工序后，应尽可能的进行消应力处理。消应力处理的温度不应导致材料敏化或产生其它有害的冶金反应。6.4在制造过程中，应编制所有热处理活动的热处理规程。热处理规程应明确热电偶的测量位置。热处理应按ASME规范的要求进行，并满足有关材料技术条件的要求。热处理报告应至少包括整个热处理周期中的升温速率、保温温度和时间、降温速率及进炉和出炉的温度等。,要求同RG1.44-2011,四、晶间腐蚀要求,不锈钢材料的焊接应符合RG 1.44“敏化不锈钢使用的控制”。当母材是非低碳、非稳定的不锈钢，对于每种焊接方法，在焊接工艺评定时，供应商必需采用产品使用的最大热输入和最高碳含量的焊接材料，以证明符合RG 1.
10、44的要求。具体要求如下：1）工艺评定焊件应由两块最小厚度为13mm的SA240或SA182 304型材料拼接而成。最小焊缝长度为152mm。产品中待焊材料的最大含碳量不允许超过评定试件材料的碳含量。例如，如果碳含量为0.068%的304试件的评定通过，则允许所有碳含量比该值低的不锈钢材料进行产品焊接，如果碳含量超过该值，则要求重新评定。2）在工艺评定报告(PQR)上要求记录焊接电流、焊接电压和焊接速度，以及ASME第IX卷要求的补充信息。试验中的热输入应采用产品焊接时允许使用的最大热输入。3）工艺评定试件的焊接接头应根据ASTM A262“E”法的要求进行试验。试样应为取自焊缝中心的横向试样
11、，并且焊缝每一侧应至少包含13mm的母材。4）应对在生产中使用的每种焊接方法（SMAW、GTAW和SAW等）进行上述试验。,西屋AP1000设计中对晶间腐蚀的要求,四、晶间腐蚀要求,RG1.44对于工艺评定的要求,四、晶间腐蚀要求,如果碳含量0.035%和铬含量18%则不要求晶间腐蚀试验。,RCCM中对晶间腐蚀的要求,四、问题探讨,结果判定的可操作性是否敏化的问题取样位置弯曲直径的问题,四、问题探讨,结果判定的可操作性,四、问题探讨,结果判定的可操作性,1.对比试样的设置RCCM SI600中明确了设置一个对比样，并且在MC1300的结果评判中也要求与对比样进行对比GB/T 4334 E中规定
12、：如果怀疑裂纹是由于延展性差而产生的,可以通过弯曲一个未经晶间腐蚀的试样进行比较。,四、问题探讨,结果判定的操作性,ASTM A262 E法未明确提到对比试样，在弯曲试样时针对“低延展性”材料，例如冷作材料时，提到了空白试样，确定弯曲的最大角度。但是如何判断低延展性材料？主管道316LN材料是否为低延展性材料？,四、问题探讨,结果判定的可操作性,2.金相法的操作性三种试样方法都提到了在弯曲试验有争议时采用金相法进行判定，但是，标准对于金相法如何操作和结果评定均未说明。只能针对金相组织按晶间腐蚀定义和晶间腐蚀机理进行评定。标准规定的金相法所用放大倍数（GB/T4335 规定100500倍，AST
13、M A262E法规定100-250倍）太低,不易观察且无法对成分进行标定。探讨：不只限于100500倍的光学显微镜下观察,根据需要,可在扫描电镜下、甚至是在透射电镜下进行观察分析;在高倍显微镜下准确判断出晶间腐蚀所致裂纹和非晶间腐蚀所致裂纹的特征,总结出其低倍形貌特征并补充于标准评定方法中。,四、问题探讨,试样是否需要敏化,RCCM SI600,四、问题探讨,试样是否需要敏化,RCCM MC1300,四、问题探讨,试样是否需要敏化,GB/T 4334 E法,四、问题探讨,试样是否需要敏化,RG1.44-2011,ASTM A262 E-2008,四、问题探讨,取样位置,RCCM SI600,四
14、、问题探讨,取样位置,四、问题探讨,取样位置,四、问题探讨,取样位置,四、问题探讨,取样位置,根据ASME第IX卷QW-466规定，弯曲试验的夹具尺寸应使弯曲试样外表面计算的纤维伸长率至少等于母材标准规定中规定的母材伸长率的下限。试样外表面的纤维伸长率其中t为试样厚度A为弯头直径ASTM A262 E要求，弯头直径与试样厚度相同，=50%这样，按该试验方法试样受拉面的纤维延伸率要求为50%以上,即使试样无腐蚀倾向,其延伸率只有在在50%以上才能完全符合要求。如果延伸率余量不大,即使没有腐蚀倾向也很难通过按腐蚀试验规定进行的冷弯试验。,四、问题探讨,弯曲试验压头直径,根据GB/T 4334,试样厚度不大于1mm时，压头直径为1mm；当试样厚度大于1mm时，压头直径为5mm。对于焊接接头试样，试样厚度为34mm，因此为37.5%44.4%。RCCM MC1300要求仅要求弯曲90度，弯头直径不超过2倍试样厚度，即使按弯曲180计算，最低33.3%因此ASTM A262 E法的弯曲要求是最高的。,四、问题探讨,弯曲试验压头直径,谢谢,Thank you,
