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)生器是關鍵設備之一，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，而且也能為核電設備抗微動損傷設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，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。