核電蒸汽發(fā)生器傳熱管切向微動磨損機理研究.pdf

1、能源已成為嚴重制約我國經(jīng)濟與社會持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題，而安全、高效地利用核能則是解決能源問題的重要途徑。核電系統(tǒng)中，蒸汽發(fā)生器是關(guān)鍵設(shè)備之一，由于蒸汽發(fā)生器一回路和二回路熱傳導及高溫高壓介質(zhì)流致振動，使傳熱管與支撐部件之間產(chǎn)生微動磨損，導致傳熱管局部損傷甚至破裂，使用壽命降低，危及核電安全。因此，防止蒸汽發(fā)生器傳熱管的破損，提高核電設(shè)備安全性和使用壽命，是核電工程的重大課題。開展不同環(huán)境法向交變載荷下微動磨損的試驗研究，不僅對探索特殊工況

2、下的復雜微動損傷機理具有重要意義，而且也能為核電設(shè)備抗微動損傷設(shè)計及運行安全提供理論支持和工程實踐指導。
　　基于高精度液壓式微動磨損試驗機，通過附加徑向電磁激振加載裝置和控制系統(tǒng)，成功研制了高溫可控氣氛傳熱管微動磨損試驗裝置，實現(xiàn)了試驗模擬高溫、可控氣氛及法向交變載荷下的微動磨損過程，試驗數(shù)據(jù)具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。
　　本文選用兩種傳熱管（Inconel690和Incoloy800合金），在不同環(huán)境（常溫大氣、高溫大氣

3、、高溫氮氣、純水和堿性去離子水溶液）下，系統(tǒng)地進行了微動磨損試驗。在微動運行行為分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合光學顯微鏡(OM)、激光共焦掃描顯微鏡(LCSM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDX)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和原位納米力學測試系統(tǒng)等微觀分析手段，系統(tǒng)揭示了傳熱管切向微動磨損的運行行為和損傷機理。獲得的主要結(jié)論如下:
　　1.高溫(300℃)、可控氣氛及法向交變載荷下Inconel690合金的微動

4、運行特性及損傷機理
　　(1)針對Inconel690合金，系統(tǒng)研究了在不同環(huán)境法向交變載荷下微動的運行特性。結(jié)果顯示，微動運行行為與徑向頻率密切相關(guān)，微動的Ft-D曲線呈現(xiàn)摩擦力周期波動的平行四邊形型特征，微動運行于滑移區(qū)。
　　(2)在不同環(huán)境條件下，摩擦力的動態(tài)變化均可以分為5個階段，即跑合階段、上升階段、峰值、下降階段和穩(wěn)定階段。環(huán)境溫度和含氧量對摩擦力產(chǎn)生顯著影響。常溫大氣環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)摩擦力比300℃大氣環(huán)境下高，

5、比300℃氮氣環(huán)境低。
　　(3) Inconel690合金在不同環(huán)境法向交變載荷下的微動損傷行為強烈地依賴于載倚、位移幅值、環(huán)境溫度、氣氛及徑向頻率等試驗條件。從表面損傷形貌看，徑向頻率和氣氛對磨屑的形態(tài)、化學成分及結(jié)構(gòu)有重要影響;由于交變法向力和切向力的共同作用，微動產(chǎn)生疊加效應，使剝層現(xiàn)象更加突出。在常溫大氣環(huán)境下，Inconel690合金的磨損機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損與剝層。在300℃大氣環(huán)境下，Inconel690合金的磨

6、損機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損與剝層。而在300℃氮氣環(huán)境下，Inconel690合金的磨損機制主要是磨粒磨損與剝層。
　　2.水及堿性去離子水中Inconel690合金的微動運行特性及損傷機理
　　(1)在滑移區(qū)，水及堿性去離子水均具有潤滑作用，降低摩擦系數(shù)。水中的摩擦系數(shù)比堿性去離子水低;摩擦系數(shù)隨介質(zhì)溫度增加而增加。
　　(2) Inconel690合金在堿性去離子水中，磨損程度除受到位移幅值、載荷影響以外，

7、溫度對磨損體積有顯著影響。溫度增加，雖然促進了聯(lián)氨與溶解氧的吸收反應，起到了降低氧化腐蝕的作用，但因金屬氧化物的致密性和穩(wěn)定性下降，材料磨損更加嚴重。Inconel690合金在水中磨損機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，而在堿性去離子水中磨損機制主要是磨粒磨損和剝層。
　　3.大氣環(huán)境中Incoloy800合金的微動運行特性及損傷機理
　　(1)載荷、位移幅值、溫度及材料性質(zhì)等對微動的運行區(qū)域和損傷行為有重要影響，溫度的

8、變化未對微動運行區(qū)域特性產(chǎn)生顯著影響。
　　(2)在部分滑移區(qū)，磨痕呈現(xiàn)環(huán)狀，接觸中心黏著，微滑、輕微的磨損和微裂紋發(fā)生在接觸邊緣的橢圓環(huán)內(nèi);磨損機制主要表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損和微裂紋。
　　(3)在混合區(qū)，在常溫大氣下，接觸中心因強烈的塑性變形，產(chǎn)生顆粒狀的磨屑;隨溫度升高，摩擦氧化效應增強，易聚集的氧化磨屑覆蓋于接觸區(qū);溫度升高到400℃，磨痕表面呈現(xiàn)高溫氧化和塑性流變特征;磨損機制主要是磨粒磨損、氧化磨損與剝層。