冷卻劑環(huán)境下應(yīng)變速率對國產(chǎn)RPV 低合金鋼疲勞壽命影響的試驗研究

孫海濤，凌禮恭，方可偉，高晨，呂云鶴，孫造占

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心 北京 100082；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

環(huán)境影響疲勞壽命（EAF）不但是新建核電廠設(shè)計階段需要考慮的因素之一，也是老電廠許可證延續(xù)（OLE）階段時限老化分析需要重點考慮的內(nèi)容，核電廠老化管理通用經(jīng)驗報告NUREG-1801[1]X.M1 中要求“通過評價反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)境對核電廠關(guān)鍵部件的影響，老化管理大綱論述反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)境對核1 級設(shè)備疲勞壽命的影響（確定環(huán)境影響累積使用因子CUFen）。對于低合金鋼根據(jù)NUREG/CR-6909[2]中的疲勞設(shè)計曲線（圖A.1、圖A.2 和表A.1）評價環(huán)境對關(guān)鍵設(shè)備疲勞的影響”?；谌毡狙芯繖C構(gòu)和美國阿貢國家實驗室的試驗數(shù)據(jù)，NUREG/CR-6909 給出了材質(zhì)、載荷和環(huán)境各種因素對材料疲勞壽命的影響結(jié)論，但相關(guān)結(jié)論對于國產(chǎn)材料的適用性需要結(jié)合實際產(chǎn)品材料的環(huán)境疲勞試驗結(jié)果予以評價。

作為國產(chǎn)低合金鋼材料環(huán)境影響疲勞性能項目之一，本試驗主要研究應(yīng)變速率對國產(chǎn)反應(yīng)堆壓力容器（RPV）低合金鋼材料環(huán)境服役疲勞壽命的影響規(guī)律，并驗證相應(yīng)報告及環(huán)境影響因子（Fen）的適用性。

1 試驗條件

1.1 材料及試樣

試驗材料取自國內(nèi)RPV SA508 Gr.3Cl.1 低合金鋼鍛件，其成分檢測值如表 1 所示。金相組織如圖1 所示，為貝氏體回火組織，晶粒度為7 級。經(jīng)檢測，其室溫和高溫空氣中的常規(guī)力學性能滿足ASME 規(guī)范標準[3]和技術(shù)規(guī)格書的要求。

表1 試驗材料化學成分Table 1 Chemical composition of materials used mass%

圖1 試驗材料金相組織Fig.1 The microstructure of the testing specimen

在RPV 鍛件內(nèi)1/4 壁厚處切取試料并加工成圓棒狀拉壓疲勞試樣（見圖 2），試樣參照ASTM E606[4]進行設(shè)計和加工：試樣標距為16 mm，直徑為8 mm，滿足疲勞試驗機夾具的要求。

圖2 疲勞試驗試樣Fig.2 Fatigue testing specimen

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用高溫高壓循環(huán)水疲勞試驗系統(tǒng)（見圖3），該裝置主要由材料疲勞試驗機、循環(huán)水回路、高壓釜和控制系統(tǒng)等四部分組成。疲勞試樣裝載于高壓釜內(nèi)，控制系統(tǒng)控制疲勞試驗機對試樣進行多參數(shù)的疲勞加載，并控制循環(huán)水回路為高壓釜提供精確的水化學控制，從而實現(xiàn)模擬壓水堆核電站冷卻劑高溫高壓服役環(huán)境的疲勞測試。

圖3 高溫高壓水疲勞試驗裝置Fig.3 The fatigue testing system

1.3 試驗參數(shù)

參照GB/T 15248[5]的相關(guān)要求選取5 個應(yīng)變速率點（4%s-1、1%s-1、0.4%s-1、0.04%s-1和0.004%s-1）進行疲勞壽命影響試驗研究，其中每個應(yīng)變速率參數(shù)點至少完成3 個平行樣品的測試。試驗的主要控制參數(shù)如表2 所示。

表2 疲勞試驗主要參數(shù)Table 2 Parameters for fatigue testing

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境疲勞壽命試驗結(jié)果與分析

采用如上所述試驗裝置，對低合金鋼試樣按照設(shè)定試驗參數(shù)開展高溫高壓循環(huán)水環(huán)境下的疲勞試驗，得到國產(chǎn)鍛造RPV 低合金鋼材料的環(huán)境疲勞壽命數(shù)據(jù)，并與室溫空氣中的疲勞試驗數(shù)據(jù)和ASME 設(shè)計/名義疲勞曲線進行比較，如圖4 所示。

圖4 試驗數(shù)據(jù)點Fig.4 Fatigue testing data

分析試驗數(shù)據(jù)點可以得出如下規(guī)律：

（1）高溫高壓水環(huán)境疲勞試驗數(shù)據(jù)點均在室溫空氣環(huán)境疲勞試驗數(shù)據(jù)點的左方，即同一應(yīng)變速率和應(yīng)變幅條件下高溫高壓水環(huán)境下的疲勞循環(huán)次數(shù)低于空氣環(huán)境下的疲勞循環(huán)次數(shù)，反映出即高溫高壓水環(huán)境對材料的疲勞壽命有較大影響，同時各數(shù)據(jù)點遠離ASME 名義疲勞曲線，因此相應(yīng)的工程設(shè)計直接采用原ASME設(shè)計疲勞曲線是不合適的，應(yīng)考慮服役環(huán)境對材料疲勞壽命的影響，根據(jù)核電廠設(shè)計運行條件對ASME 設(shè)計疲勞曲線進行必要的修正或采取相應(yīng)的工程措施。

（2）從應(yīng)變速率與疲勞壽命影響規(guī)律（見圖5）可以看出：試驗條件下，國產(chǎn)RPV 用SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼材料的環(huán)境疲勞壽命隨應(yīng)變速率下降而降低；當應(yīng)變速率從4%s-1下降到1%s-1時，疲勞壽命基本無變化；當應(yīng)變速率從1%s-1下降到0.004%s-1時，疲勞壽命下降趨勢明顯，同時與應(yīng)變速率下降呈現(xiàn)一定的對數(shù)關(guān)系；即1%s-1～0.004%s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼的環(huán)境疲勞效應(yīng)顯著，這與Chopra 等的研究結(jié)果[2]基本一致。

圖5 應(yīng)變速率與疲勞壽命影響規(guī)律Fig.5 Relationship between the strain rate and the fatigue life

2.2 Fen 適宜性分析

針對EAF 問題，NUREG/CR-6909 采用環(huán)境疲勞修正系數(shù)Fen方式對原疲勞設(shè)計進行相應(yīng)的修正，其中規(guī)定：

并給出了低合金鋼的Fen計算公式及其參數(shù)約定和閾值條件，近幾年NRC 結(jié)合最新的環(huán)境疲勞試驗數(shù)據(jù)對原計算公式等內(nèi)容進行修訂，修訂后低合金鋼的Fen計算公式為：

T*——溫度因子；

O*——DO 因子。

將表2 所示的試驗條件代入公式計算得到對應(yīng)的Fen值。運用Fen值對ASME 名義疲勞曲線進行處理，得到5 條修正平均曲線，如圖6所示。可以看出低應(yīng)變速率條件下試驗得到的疲勞壽命數(shù)據(jù)點主要分布在各自Fen修正名義疲勞曲線的上方，說明采用公式3 進行的Fen修正基本包絡(luò)國產(chǎn)RPV 低合金鋼材料的EAF效應(yīng)，但個別高應(yīng)變速率試驗數(shù)據(jù)點無法完全被包絡(luò)，相應(yīng)的Fen預(yù)測公式應(yīng)結(jié)合國產(chǎn)材料的EAF 試驗數(shù)據(jù)考慮修正。

圖6 Fen 修正曲線Fig.6 Fen amendment curve

2.3 表面裂紋及斷口形貌

用掃描電鏡對不同應(yīng)變速率下高溫高壓水腐蝕疲勞試樣進行觀察，記錄試樣表面裂紋形貌。如圖7 所示，在高應(yīng)變速率條件下國產(chǎn)RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼環(huán)境疲勞試樣表面的疲勞主裂紋基本與加載軸成45°方向，微觀上呈鋸齒狀曲折擴展。隨著應(yīng)變速率降低，疲勞試樣表面的疲勞主裂紋呈現(xiàn)與加載軸的夾角逐漸減小直至垂直的趨勢。

圖7 不同應(yīng)變速率條件下表面裂紋形貌（1）4%s-1，（2）1%s-1，（3）0.4%s-1Fig.7 Morphologies of surface cracks of different strain rates

圖7 不同應(yīng)變速率條件下表面裂紋形貌（續(xù)）（4）0.04%s-1，（5）0.004%s-1Fig.7 Morphologies of surface cracks of different strain rates

從每個數(shù)據(jù)點的三個平行試樣中挑選一個進行采用掃描電鏡（SEM）觀察，分析斷口表面特征，如圖8 所示可以看到國產(chǎn)RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼的疲勞斷口表面粗糙，呈現(xiàn)臺階狀和典型的多裂紋源起始特征。

圖8 疲勞試樣斷口（裂紋源）Fig.8 The morphology of fractures

圖8 疲勞試樣斷口（裂紋源）（續(xù)）Fig.8 The morphology of fractures

綜合判斷，國產(chǎn)RPV 低合金鋼在高溫高壓水環(huán)境中的疲勞裂紋主要萌生于試樣表面，低應(yīng)變速率時主要為膜破裂/滑移溶解機理控制裂紋擴展。

2.4 后續(xù)工作

鑒于國產(chǎn)RPV 低合金鋼高溫高壓水環(huán)境疲勞試驗數(shù)據(jù)較少，后續(xù)將進一步開展溫度、應(yīng)變速率、溶解氧和含硫量等各影響因素的疲勞試驗，尤其是更接近RPV 服役條件的低低應(yīng)變速率條件的環(huán)境影響疲勞試驗，獲取充分的試驗數(shù)據(jù)，在收集和整理國內(nèi)各研究單位試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)國產(chǎn)RPV 低合金鋼材料的環(huán)境疲勞影響因子Fen計算公式。

3 總結(jié)

綜合分析本試驗結(jié)果，可以得到如下的規(guī)律和結(jié)論：

（1）試驗條件下國產(chǎn)RPV SA508 Gr.3 Cl.1低合金鋼材料表現(xiàn)出確定的EAF 效應(yīng)：在高溫高壓水環(huán)境中疲勞壽命相對于空氣中降低，應(yīng)變速率降低則EAF 效應(yīng)更顯著。

（2）低合金鋼部件的工程疲勞分析應(yīng)考慮服役環(huán)境對材料疲勞壽命的影響，根據(jù)核電廠設(shè)計運行條件對ASME 設(shè)計疲勞曲線進行必要的修正或者采取相應(yīng)的工程措施。

（3）環(huán)境疲勞修正系數(shù)Fen可采用NUREG/CR-6909 最新版規(guī)定進行計算，但需根據(jù)國產(chǎn)材料的試驗數(shù)據(jù)考慮修正，后續(xù)可考慮國產(chǎn) RPV 低合金鋼材料的環(huán)境疲勞影響因子Fen計算公式的開發(fā)和應(yīng)用。