Page 49 - 《摩擦学学报》2020年第3期
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第 3 期                 米雪, 等: 690合金传热管在不同摩擦副条件下的微动磨损性能研究                                      315

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       在压水堆核电厂中，蒸汽发生器是产生汽轮机所                          次N为10 ；当位移幅值D为100 μm时，试验频率f为
                                                                             5
   需蒸汽的换热设备，也是一、二回路的枢纽，是关键设                           5 Hz，试验循环周次N为10 . 本研究中采用的微动试
     [1]
   备 . 蒸汽发生器传热管内部高速流经的高温、高压流                          验机为MFF-3000电磁振动微动疲劳与磨损试验机，
   体引起传热管的流致振动(Flow-induced vibration-                为保证具有可靠试验数据，进行了重复试验，试验次
                [2]
   FIV，流致振动) ，会使传热管与抗振条(或支撑板)接                        数不低于3次.
   触处发生微动损伤(微动磨损和微动疲劳)                 [3-4] ，致使传         试验结束后，采用光学显微镜(OM，OLYMPUS
   热管壁因磨损而减薄，使其使用寿命显著降低                    [5-6] . 因  BX50)和扫描电子显微镜(SEM，JOEL JSM−6610LV)
   此防止蒸汽发生器传热管的破损，是核能安全工程的                            对磨痕表面和剖面进行磨痕形貌和磨损机制分析；结
           [7]
   重大课题 .                                             合SEM 配置的电子能谱(EDX，OXFORD X−MAX50
       对传热管的研究，主要集中在微动疲劳                 [8-9] 、微动    INCA−250)和电子探针(EPMA，JOELJXA-8230)对磨
   磨损  [10-11] 、应力腐蚀 、微幅冲击      [13-14] 和数值研究  [15-16]  痕进行局部微区成分分析；采用三维光学显微镜
                    [12]
   等方面，而针对传热管与抗振条在水环境下的微动磨                            (Bruker，Contour GT-I)进行接触损伤区的二维和三维
   损的研究相对较少        [17-18] . 本文作者选取退火405不锈钢           轮廓分析.
   和淬火回火06Cr13作为抗振条的试验材料，试验采用                         2    结果与分析
   块/管线接触方式，在室温和90 ℃的水环境中进行微
                                                      2.1    磨痕光学形貌分析
   动磨损试验，对比不同抗振条在磨损性能上的优劣.
                                                          当D=20 μm时，磨痕宽度较小，磨损轻微，磨痕表
   1    材料和方法                                         面有磨屑堆积；随着温度的增加，磨痕宽度和磨损程
                                                      度增加较小(见图2). 当D=100 μm，磨损较D=20 μm时
       试验材料为外径d17.5 mm、内径d15.4 mm、长25 mm
                                                      严重；随着温度的增加，磨屑和磨痕宽度明显增加. 在
   的690合金管(690 alloy)，其表面粗糙度为R =0.4 μm.
                                         a
                                                      管试样上，磨痕较多堆积于接触区中心；在块试样上，
   对偶件为10 mm×12 mm×4 mm 的退火405不锈钢块
                                                      磨屑堆积于磨痕边界，这可能是由于试验过程中试样
   (简称405不锈钢，即405SS，硬度为HV168)和淬火回火
                                                      放置的位置导致的.
   06Cr13块(简称06Cr13，硬度为HV160)，其表面粗糙度
                                                      2.2    磨痕扫描电镜形貌分析
   R 为0.6 μm. 试验采用块/管线接触方式，接触区为矩                          由图3可知，室温下，当D=20 μm时，管试样的磨
    a
   形，摩擦副的接触运动方式如图1所示.
                                                      痕宽度约为280 μm，在接触区边界有少量的磨屑堆
                                                      积，主要的磨损机制是磨粒磨损和剥层. 当D=100 μm
                                                      时，管试样的磨痕宽度约为520 μm，磨痕表面被磨屑
          F n
              Fixed anti-vibration bar
                                                      所覆盖，表面上有剥层裂纹区域. 在微动过程中，最大
                                                      切应力位于距表面一定距离的位置，此处塑性变形最
                  Oscillatory tube
                                                      剧烈，在交变应力的作用下反复变形，使得该处材料
                                                      局部弱化而出现裂纹，裂纹先平行于表面扩展，最后
                                                      分叉延伸到表面，形成剥层裂纹，最终使得材料呈片
                                                      状剥落形成剥落坑.
                                    12 mm
          Move                                            由图4可知，当D=20 μm时，管试样的磨痕宽度分
                                                      别约为280 μm(室温)和300 μm(T=90 ℃)，且表面未见

    Fig. 1    The schematic diagram of contacting configuration  磨屑堆积；随着温度的增加，磨损和犁沟的深度增加，
            图 1    摩擦副的接触运动方式示意图
                                                      接触区宽度略微增加. 当D=100 μm，室温时，磨痕表
                                                      面有犁沟和剥落坑，磨屑堆积于剥落坑中；与D=20 μm
       试验环境为氨水和去离子水混合的水溶液，室温
                                                      时进行对比，犁沟深度增加，磨损增加，接触区宽度增
   下其pH值为9.0~9.1，电导率小于3.0. 微动磨损试验参
                                                      加. 当D=100 μm，T=90 ℃时，磨屑堆积于磨痕边界，表
   数如下：法向载荷F 为40 N；位移幅值D为20和100 μm；                   面有剥层裂纹，磨屑形状呈片层状，且磨屑尺寸比室
                   n
   试验温度T为室温(RT，20~25 ℃)和90 ℃(±2 ℃). 当位                温时大. 当配副材料为06Cr13时，随着温度的增加，试
   移幅值D为20 μm时，试验频率f为30 Hz，试验循环周                      样的磨损程度增加，剥层在损伤中所起的作用加剧；
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