薄壁管高溫爆破試驗裝置研制及應(yīng)用

韓志博，楊洪廣，張建通

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

在核電迅速發(fā)展的形勢下，對核電廠燃料組件(燃料元件)和燃料相關(guān)組件(控制棒、可燃毒物棒等)的安全要求越來越高。壓水堆核電廠燃料組件和燃料相關(guān)組件在整個設(shè)計壽期內(nèi)都處于高溫、高壓、強(qiáng)中子輻照、流體的振動與沖刷、壓力波動等非常苛刻的條件下，在整個設(shè)計壽期內(nèi)應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的完整性[1-3]。燃料元件及燃料相關(guān)組件的包殼管作為承受高壓部件和放射性物質(zhì)包容的第一道屏障，將直接決定燃料元件及相關(guān)組件棒的完整性和安全性。

美國、法國、日本、韓國等核電發(fā)達(dá)國家對燃料包殼管(Zr-4、Zirlo、M5、HANA等)在模擬壓水堆失水事故(LOCA)工況下進(jìn)行了大量研究，尤其是高燃耗燃料元件包殼管在模擬LOCA工況下的高溫爆破試驗研究[4-7]，美國開展了316L不銹鋼包殼管在模擬LOCA溫度條件下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗[8]。國內(nèi)針對鋯合金包殼管開展了室溫爆破和運(yùn)行工況下的高溫爆破試驗研究。張長義等[9]、周靜等[10]、彭繼華等[11]開展了M5合金和N36合金包殼管及田春燕等[12]、陳波全等[13]、溫敦古等[14]開展了Zr-4合金和兩種其他鋯合金包殼管的室溫爆破及運(yùn)行工況下的等溫高溫爆破試驗研究；黃玉才等[15]開展了Zr-4合金包殼管在模擬LOCA工況下的臌脹爆破試驗。丁學(xué)鋒等[16]、王德華等[17]、李江江等[18]自主研制了采用液壓油作為介質(zhì)的爆破試驗裝置。國內(nèi)的包殼管爆破試驗和高溫爆破試驗裝置除文獻(xiàn)[15]中的試驗外均為室溫爆破或(和)運(yùn)行工況下的等溫高溫爆破試驗，未開展針對壓水堆用不銹鋼包殼管的等溫爆破試驗及模擬事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗。

在假想的壓水堆LOCA工況下，燃料元件的溫度迅速升高，可燃毒物棒的溫度隨之快速升高，燃料元件和可燃毒物棒的內(nèi)部壓力也隨之增加；由于包殼管的溫度升高，其機(jī)械性能降低，同時，包殼管在高溫蒸汽中急劇氧化及大量吸氫，從而加劇了包殼管的脆化，尤其是壽期末包殼管的內(nèi)壓較高，可能導(dǎo)致包殼管的鼓脹和破裂，第一道屏障失效后燃料芯塊和中子吸收體從包殼管內(nèi)噴出，棒內(nèi)產(chǎn)生空位，放射性物質(zhì)及中子吸收體進(jìn)入一回路冷卻劑中，引起反應(yīng)性變化，從而影響反應(yīng)堆的安全及放射性物質(zhì)的排放。因此，為更好地模擬反應(yīng)堆內(nèi)包殼管的真實條件，采用高壓氣體介質(zhì)的等溫高溫爆破及瞬態(tài)加熱高溫爆破方法，獲得包殼管的高溫爆破性能數(shù)據(jù)是非常必要的，對燃料組件及燃料相關(guān)組件的設(shè)計、安全分析及反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要意義。

高溫爆破試驗包括等溫高溫爆破試驗及瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗。等溫高溫爆破試驗是以設(shè)定的升溫速率升溫到試驗溫度，穩(wěn)定一定時間后再向樣品管內(nèi)以恒定的加壓速率充入高壓惰性氣體，直到樣品管爆破。瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗是室溫時預(yù)先向樣品管內(nèi)充入一定壓力的惰性氣體，然后以恒定的升溫速率升溫，直到樣品管爆破。

為研究壓水堆LOCA溫度條件下的包殼管高溫爆破行為，本文擬研制一套更接近于包殼管實際工況、采用高壓氣體作為試驗介質(zhì)的高溫爆破試驗裝置，以開展等溫高溫爆破及瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，并完成初步的模擬壓水堆LOCA溫度條件的不銹鋼薄壁管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗。

1 裝置設(shè)計及組成

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)壓水堆LOCA工況下的計算分析結(jié)果及實際條件，高溫爆破試驗裝置的設(shè)計技術(shù)要求如下：1) 最高工作溫度為1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s，偏差≤±10%；2) 最大工作壓力為100 MPa；3) 試驗介質(zhì)為惰性氣體；4) 環(huán)境氣氛為水蒸氣/惰性氣體/空氣；5) 試驗樣品管外徑為8～15 mm，有效長度不小于10倍外徑；6) 試驗樣品管內(nèi)為填充棒，填充棒與樣品管之間的間隙為(0.25±0.05) mm。

1.2 裝置組成及功能

試驗裝置由高壓氣源單元、試驗氣氛單元、加熱單元、試驗臺架及測控單元5部分組成，試驗裝置總體構(gòu)成示意圖如圖1所示。試驗裝置可實現(xiàn)的最高試驗溫度為1 200 ℃，可模擬反應(yīng)堆運(yùn)行工況和事故工況下的升溫速率；可實現(xiàn)的最大試驗壓力為100 MPa，加壓速率符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)[19-20]中規(guī)定的要求。

圖1 高溫爆破試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature burst facility

高壓氣源單元主要由高壓氣體增壓系統(tǒng)、高壓數(shù)字壓力計、高壓閥門及高純He/Ar氣瓶等組成，用來提供試驗所需的高壓惰性氣體及氣體增壓速率，高壓氣體增壓系統(tǒng)輸出惰性氣體的最大壓力為170 MPa。

試驗氣氛單元主要由微型蒸汽發(fā)生器、高純He/Ar氣瓶、真空泵、數(shù)字壓力計、閥門等組成，用來對試驗氣腔內(nèi)抽真空及提供不同試驗所需的試驗氣氛。

加熱單元主要由快速加熱電源、加熱電極組成，用來實現(xiàn)不同條件下樣品管的試驗溫度及升溫速率。

試驗臺架主要由電子拉壓試驗機(jī)臺架、樣品固定支架及安全防護(hù)網(wǎng)組成。

測控單元主要由高壓數(shù)字壓力計、高溫測溫計、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、測控軟件及計算機(jī)組成。高溫爆破試驗的關(guān)鍵參數(shù)為樣品的內(nèi)壓和表面溫度，測量樣品內(nèi)壓的數(shù)字壓力計(GS4200，0～100 MPa，±0.1%)的測點(diǎn)設(shè)置在樣品入口處；測量樣品表面溫度的高溫測溫計(IGAR 12-LO，350～1 300 ℃，±0.5%讀數(shù)+1 ℃)的測點(diǎn)在樣品管有效長度段中間偏上15 mm處的表面最高溫度點(diǎn)處。

2 試驗條件

2.1 試驗樣品

樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗樣品管材料為316L不銹鋼，其化學(xué)成分列于表1，冷加工量為14%。試驗樣品管的尺寸為φ10 mm×0.53 mm×210 mm，加熱長度為180 mm，有效長度為150 mm。填充棒材料為氧化鋁陶瓷，尺寸為φ8.5 mm×45 mm。

圖2 爆破試驗樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of burst test sample structure

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C0.017S0.004Cr16.89Cu0.006Ni15.07V<0.005Mo2.26Al0.004Si0.52Nb0.010Mn1.25Co<0.005P0.006Ti0.010

2.2 試驗參數(shù)

試驗溫度為600～1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s；室溫預(yù)充壓力為8～50 MPa的高純He氣。

2.3 爆破性能參數(shù)計算

根據(jù)美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)[19-20]中的公式計算分析試驗樣品的爆破強(qiáng)度(極限環(huán)向應(yīng)力)和周向延伸率。

1) 爆破強(qiáng)度

爆破強(qiáng)度即極限環(huán)向應(yīng)力，按下式計算：

σ=pD/2t

(1)

其中：σ為樣品管在試驗條件下的極限環(huán)向應(yīng)力，MPa；p為樣品管在試驗條件下的爆破壓力，MPa；D為樣品管的平均中徑，即平均外徑與平均壁厚之差，mm；t為樣品管的最小壁厚，mm。

2) 周向延伸率

周向延伸率按下式計算：

δ=(L1-L0)/L0×100%

(2)

其中：δ為樣品管在試驗條件下的周向延伸率，%；L0為試驗前樣品管的外表面周長，mm；L1為試驗后樣品管破口處的最大外表面周長，mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 裝置的升溫速率及溫度控制穩(wěn)定性

在進(jìn)行316L不銹鋼薄壁管高溫爆破試驗前對試驗裝置進(jìn)行了6種等溫高溫爆破試驗條件(3種升溫速率、2個溫度)的溫度控制穩(wěn)定性及2種模擬事故溫度條件的瞬態(tài)加熱升溫速率控制測試。等溫高溫爆破試驗的測試方法是以恒定的升溫速率(1、2、5 ℃/s)由室溫(20 ℃)升溫到試驗溫度(700、897 ℃)并保溫～3 min后停止加熱，空冷至室溫；模擬事故溫度條件的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的測試方法是在室溫(20 ℃)時先向樣品管內(nèi)充入1 MPa的高純He氣，以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫到350 ℃并保溫～3 min，然后再以恒定的升溫速率(5、10 ℃/s)升溫到試驗溫度(915、1 195 ℃)后停止加熱，空冷至室溫。

以2 ℃/s的恒定升溫速率加熱至700 ℃保溫和以5 ℃/s的恒定升溫速率加熱至897 ℃保溫的試驗結(jié)果示于圖3a、b，實際升溫速率分別為(2.0±0.1) ℃/s和(5.0±0.2) ℃/s。以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫至350 ℃并保溫～3 min，然后再以5 ℃/s的恒定升溫速率升溫至1 195 ℃和以10 ℃/s的恒定升溫速率升溫至915 ℃的試驗結(jié)果示于圖3c、d，實際升溫速率分別為(5.0±0.3) ℃/s和(10.0±0.3) ℃/s。測試結(jié)果表明：試驗裝置的最高試驗溫度可達(dá)1 200 ℃，升溫速率為1～10 ℃/s，升溫速率相對偏差不超過±10%，溫度控制穩(wěn)定性為±3 ℃。

3.2 爆破性能

在高溫爆破試驗裝置上，采用試驗樣品管在600～1 200 ℃、升溫速率為5 ℃/s條件下進(jìn)行瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗。本試驗?zāi)M壓水堆LOCA工況溫度條件，室溫(20 ℃)時先向樣品管內(nèi)充入8～50 MPa的高純He氣，然后以1 ℃/s的恒定升溫速率升溫到350 ℃并保溫～3 min，再以5 ℃/s的恒定升溫速率升溫至樣品管爆破。

圖3 高溫爆破試驗裝置的控溫曲線Fig.3 Temperature control curve of high temperature burst facility

高溫爆破強(qiáng)度、周向延伸率隨溫度的變化示于圖4。由圖4可見，試驗樣品管的高溫爆破強(qiáng)度隨溫度的升高線性降低，周向延伸率隨溫度的升高而增加，尤其是約950 ℃以上增幅明顯，但周向延伸率均較低。試驗樣品管的爆破溫度最高為1 184 ℃，爆破最高壓力為70 MPa。

圖4 爆破強(qiáng)度和周向延伸率與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between burst strength and elongation vs temperature

3.3 樣品宏觀形貌

試驗樣品管瞬態(tài)加熱高溫爆破后外觀及破口形貌如圖5所示?？煽闯觯瓶诠拿涊^小，由高溫低壓時的開裂到低溫高壓時的撕破，甚至是撕斷，表明樣品管的周向延伸率較低。破口的外觀形貌與爆破溫度、爆破壓力及樣品材料有關(guān)。

圖5 高溫爆破試驗樣品外觀及破口形貌Fig.5 Appearance and fracture morphology of burst test sample

3.4 樣品破口微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對316L不銹鋼試驗樣品的破口截面進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖6所示。圖6表明，試驗樣品破口具有韌性斷裂特征，韌窩拉長方向由內(nèi)壁向外壁，表明力的方向由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展；韌窩多為小而淺且大小不均勻，表明它們的韌性較差；微觀形貌分析結(jié)果與高溫爆破試驗樣品外觀的破口鼓脹較小及破口周向延伸率較低的試驗結(jié)果非常吻合。

4 結(jié)論

1) 研制了采用高壓氣體作為試驗介質(zhì)的薄壁金屬管高溫爆破試驗裝置，該裝置靈活方便、控制精度高，滿足試驗要求。

圖6 高溫爆破試驗樣品破口SEM微觀形貌Fig.6 SEM observation on fracture of burst test sample

2) 完成了316L不銹鋼薄壁管在模擬LOCA工況溫度條件的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，獲得了316L不銹鋼薄壁管的高溫爆破性能數(shù)據(jù)及與溫度的關(guān)系。

本工作得到TMT團(tuán)隊成員的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。