310S不锈钢在超临界水中的应力腐蚀性能研究进展

  应力腐蚀（SCC）是敏感材料在应力和环境的相互作用下发生的一种行为，是现有轻水堆一回路部件常见的重要失效形式。SCC萌生期的时间长短，扩展期的发展快慢，直接影响部件的服役寿期。采用双U形试验评价了材料在接近应力与变形状态的恒变形条件下的SCC敏感性，开展了310S不锈钢（固溶）在290℃及550℃水中的试验，并与304不锈钢（620℃×24 h热处理）、316L不锈钢（固溶）、600、900合金进行了对比，溶解氧浓度为8 mg/kg。结果见表，310S不锈钢未出现SCC。材料是制约超临界水堆走向工程实践的关键技术之一，超临界水堆材料工况最恶劣的是燃料包壳和堆内构件，如堆芯结构、定位格架等，将承受高温、高压、强辐照的工况，接触的环境介质为强氧化性的超临界水。 

   浙江至德钢业有限公司研究人员从公开发表的文献资料发现，已有大量材料在SCW环境下的研究数据，这些数据对于SCWR包壳材料的研究具有重要的参考意义，可为SCWR包壳材料的筛选、研发提供指导，但是高于550℃条件的材料数据较少。450℃～538℃温度范围之间的数据最多，550℃～600℃温度范围之间的数据较少，温度范围达到或超过650℃的数据更少。对于压力容器式SCWR而言，当出口温度为500℃或更高时，包壳材料的温度一般在600℃或以上，甚至可达到650℃，因为传热原因。因此，开展SCWR候选包壳材料在温度高于600℃的腐蚀行为研究是必须的。

  目前为止，除了超临界火电厂的使用经验外，对310S不锈钢在SCWR中的行为研究得不够全面，对堆外应用性能的研究主要以均匀腐蚀性能、蠕变性能为主，研究中的温度范围不充分，研究系统性不足，研究结果和数据不够丰富，对相关机理和规律还未认识和掌握，尤其是国内的相关研究。因此，系统全面的开展310S的主要堆外应用性能研究，获得相关的数据、规律和机制，具有重要的意义，可极大的促进SCWR的技术研发。

（1）超临界高温条件下的力学性能研究 

    系统开展室温及不同温度条件下310S不锈钢的常规力学性能、疲劳性能、蠕变性能研究；建立拉伸性能随温度（室温、350℃、550℃和650℃）变化规律；蠕变性能随温度（550℃、600℃、650℃、700℃、800℃）变化规律；并对310S不锈钢的室温、高温条件下的低周疲劳和高周疲劳性能进行了评价，利用SEM对310S不锈钢的力学损伤机制进行分析。

（2）超临界水环境中的均匀腐蚀性能研究

  选择4种温度/压力条件，290℃/ 15MPa、380℃/25MPa、550℃/25MPa、650℃/25MPa，研究310S不锈钢在亚临界、拟临界和超临界去离子水体系中的均匀腐蚀行为。采用增重和减重方法评价材料的腐蚀速率，利用X射线能谱仪（EDS）、场发射扫描电镜（FEG-SEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）和透射电镜（TEM）分析试样合金元素分布和氧化膜形貌等。

 （3）超临界水环境中的应力腐蚀性能研究

   在290℃/ 15MPa、380℃/25MPa、550℃/25MPa、650℃/25MPa实验条件下，对310S不锈钢的应力腐蚀性能开展系统研究。采用U型弯曲试样，开展310S不锈钢材料在超临界水中的应力腐蚀裂纹萌生试验研究；采用单轴拉伸试样，利用超临界微型动水慢拉伸试验回路，开展310S材料在超临界水中的慢拉伸速率应力腐蚀研究，建立310S不锈钢在不同温度/压力条件下应力－应变曲线关系和力学性能（抗拉强度、屈服强度、延伸率等）变化规律，利用SEM等方法观察试样断口形貌与裂纹形态，综合分析310S的应力腐蚀敏感性。

 （4）310S不锈钢用作SCWR包壳材料的评价

   利用试验研究数据，结合工程背景对310S不锈钢在工程中应用的评价方法和适用性等进行系统分析，为SCWR燃料包壳材料评价体系建立和完善奠定基础。