溶解氧含量對(duì)國(guó)產(chǎn)化鍛造主管道316LN不銹鋼環(huán)境促進(jìn)疲勞壽命的影響

鄭 會(huì),張 維,李國(guó)健,李 杰,譚季波,吳欣強(qiáng)

(1. 國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海 200233;2.中核核電運(yùn)行管理有限公司,海鹽314301;3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,沈陽(yáng) 110016)

壓水堆(PWR)核電站一回路冷卻劑的運(yùn)輸管道(主管道),連接了反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主冷卻劑泵等關(guān)鍵核心設(shè)備,是重要的一回路壓力邊界,其結(jié)構(gòu)完整性直接影響核電站運(yùn)行的安全性。PWR主管道長(zhǎng)期工作在300～330 ℃、15～16 MPa的含B/Li高溫高壓水中,由于壓力波動(dòng)、熱分層、啟停堆、流致振動(dòng)等影響,管道可能遭受環(huán)境影響疲勞(EAF)損傷。根據(jù)JNES-SS-1005EnvironmentalFatigueEvaluationMethodforNuclearPowerPlants和NUREG/CR-6909EffectofLWRWaterEnvironmentsontheFatigueLifeofReactorMaterials,與空氣環(huán)境相比,主管道使用的奧氏體不銹鋼在一回路冷卻劑環(huán)境中的疲勞壽命可能下降10～100倍,并造成ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》第三卷(ASME BPVC III)中的疲勞設(shè)計(jì)曲線在一回路冷卻劑環(huán)境中可能不夠保守的問(wèn)題。這是由于在2009b版之前的ASME BPVC III中,應(yīng)變疲勞壽命是通過(guò)空氣中的標(biāo)準(zhǔn)棒狀疲勞試驗(yàn)獲得,并利用簡(jiǎn)化的Langer方程[1]進(jìn)行擬合獲得其最佳擬合曲線。在保守處理,即應(yīng)力幅/應(yīng)變幅除以2或疲勞壽命除以20后得到了疲勞設(shè)計(jì)曲線,該方法未能充分考慮輕水反應(yīng)堆(LWR)環(huán)境對(duì)核電結(jié)構(gòu)材料疲勞性能的影響,可能存在安全裕度不足的問(wèn)題。

因此,美國(guó)核管會(huì)于1993年發(fā)布了通用安全問(wèn)題(GSI)GSI-166和GSI-190,并于1999年致信ASME要求修改其疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范曲線。之后,在2007年和2018年美國(guó)核管會(huì)分別頒布了Regulatory Guide 1.207第0版和第1版,要求新建及延壽核電站安全設(shè)計(jì)和疲勞分析必須充分考慮一回路冷卻劑環(huán)境因素的影響。

在此基礎(chǔ)上,近20 a,以美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)、日本原子力安全基盤機(jī)構(gòu)(JNES)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所(IMR)為代表的研究機(jī)構(gòu),對(duì)模擬一回路冷卻劑高溫高壓水環(huán)境對(duì)核級(jí)不銹鋼疲勞性能的影響開展了廣泛研究,這些研究主要考慮了應(yīng)變速率、溫度、溶解氧(DO)等因素的影響,建立了考慮環(huán)境因素的ANL模型(美國(guó))、JNES模型和IMR模型[2-4]。在2009b及之后的ASME BPVC III中則使用了基于ANL模型最佳擬合曲線修訂的疲勞設(shè)計(jì)曲線。

這3個(gè)模型都屬于根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計(jì)模型,對(duì)于環(huán)境因素的評(píng)價(jià)也都使用了環(huán)境疲勞校正因子(Fen)來(lái)處理,但在如何處理DO含量對(duì)不銹鋼在高溫高壓水環(huán)境中EAF性能的影響上有所區(qū)別。ANL模型的最初版本和JNES模型都認(rèn)為DO含量對(duì)不銹鋼的EAF性能沒有影響,或者其影響可以被其他因素覆蓋。而ANL新版模型和IMR模型[4]則認(rèn)為:在高含量DO環(huán)境中不銹鋼材料會(huì)有更長(zhǎng)的疲勞壽命;在低含量DO環(huán)境中,環(huán)境因素的影響會(huì)更明顯,導(dǎo)致其疲勞壽命反而降低。

隨著中國(guó)三代核電的發(fā)展,鍛造奧氏體不銹鋼主管道已經(jīng)全面自主化和國(guó)產(chǎn)化,但關(guān)于國(guó)產(chǎn)化鍛造主管道316LN不銹鋼的EAF試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍較為缺乏。因此,很有必要開展國(guó)產(chǎn)化316LN不銹鋼鍛件在模擬一回路冷卻劑高溫高壓水環(huán)境中EAF壽命的試驗(yàn)研究,并驗(yàn)證設(shè)計(jì)疲勞曲線的適用性,為設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

使用的316LN不銹鋼來(lái)自按三代核電國(guó)產(chǎn)化鍛造主管道工藝生產(chǎn)的管道模擬件,其規(guī)格為φ798 mm×75 mm,材料為SA376-TP316LN,其化學(xué)成分及ASME BPVC II Materials Part A標(biāo)準(zhǔn)值見表1。如圖1所示,從管道內(nèi)壁1/4壁厚處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),取圓棒試樣在空氣中和模擬一回路高溫高壓水環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試樣標(biāo)距段直徑為8 mm,長(zhǎng)度為16 mm。如圖2所示,試樣3個(gè)取向上的顯微組織均為典型的奧氏體,分布有一定數(shù)量的孿晶,晶界平直。3個(gè)取向上的平均晶粒尺寸分別為71.0,76.6,68.0 μm,無(wú)明顯區(qū)別。

圖1 取樣示意圖

圖2 金相檢驗(yàn)試樣截面3個(gè)取向上的顯微組織

表1 316LN不銹鋼的化學(xué)成分

1.2 疲勞試驗(yàn)

(1)

空氣中的疲勞試驗(yàn)在島津疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變幅分別為0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,應(yīng)變速率為0.004 s-1,溫度分別為25 ℃和325 ℃。每個(gè)試驗(yàn)條件設(shè)置3個(gè)平行試樣。

模擬一回路水中的疲勞試驗(yàn)在高溫高壓循環(huán)水腐蝕疲勞試驗(yàn)裝置中進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為325 ℃,試驗(yàn)壓力為12.5 MPa,溶液中含有1 200 mg·L-1的B和2.2 mg·L-1的Li,采用高純水、分析純級(jí)硼酸(H3BO3)和分析純級(jí)氫氧化鋰(LiOH·H2O)配制試驗(yàn)溶液。利用高純N2和高純O2控制DO含量。應(yīng)變幅為0.6%,應(yīng)變速率分別為0.4×10-3s-1和0.4×10-4s-1。為研究DO含量對(duì)材料EAF性能的影響,分別在低于5 μg·L-1、100 μg·L-1和700 μg·L-1的DO含量下進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)試驗(yàn)條件設(shè)置3個(gè)平行試樣。

1.3 表征與分析

采用FEI INSPECT F50SEM型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞試驗(yàn)后試樣的裂紋和斷口形貌,并采用配套的能譜儀(EDS)分析斷口表面腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌觀察

由圖3可見:在不同DO含量下疲勞試驗(yàn)后,試樣的表面狀態(tài)基本一致,其表面覆蓋灰色腐蝕產(chǎn)物,裂紋宏觀上垂直于加載軸,微觀上曲折擴(kuò)展。將經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的試樣置于空氣中,進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)直至斷裂,觀察其斷口形貌。如圖4所示:灰黑色部分為疲勞試驗(yàn)開裂區(qū)域,覆蓋有腐蝕產(chǎn)物;銀白色部分為在空氣中斷裂的區(qū)域;在不同DO含量條件下,試樣斷口形貌也基本一致,均為多裂紋源起始特征,且疲勞特征區(qū)(疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和疲勞裂紋尖端區(qū))明顯。

由圖5和圖6可見,在不同DO含量條件下,試樣疲勞斷口的顯微形貌沒有明顯區(qū)別,疲勞斷口上均有“山脊”?！吧郊埂笔橇鸭y橋接時(shí)產(chǎn)生的,表明316LN不銹鋼的EAF為多裂紋源起始特征。裂紋源均為扇形花樣,呈準(zhǔn)解理開裂特征,裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的疲勞輝紋特征。由圖5～6還可見:在DO含量小于5 μg·L-1的高溫高壓水環(huán)境中,試樣表面腐蝕產(chǎn)物主要為富Fe、Cr、Ni的尖晶石氧化物;隨著DO含量增加至700 μg·L-1,試樣斷口覆蓋的尖晶石氧化物顆粒數(shù)量增加,且尺寸變大。

圖3 不同DO含量條件下試樣經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的裂紋宏觀形貌(應(yīng)變速率為0.4×10-3 s-1)

圖4 不同DO含量條件下試樣經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的斷口宏觀形貌(應(yīng)變速率為0.4×10-3 s-1)

圖5 在DO含量小于5 μg·L-1條件下試樣疲勞斷口的顯微形貌及腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果(應(yīng)變速率為0.4×10-3 s-1)

圖6 在700 μg·L-1 DO條件下試樣疲勞斷口的顯微形貌及腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果(應(yīng)變速率為0.4×10-3 s-1)

綜上所述可見,在不同DO含量條件下,試樣經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的表面裂紋形貌、斷口宏觀及微觀形貌均差別不大,說(shuō)明其EAF行為和機(jī)理區(qū)別不大。

2.2 疲勞壽命

由表2和圖7可見:在0.3%和0.6%的中低應(yīng)變幅下,試樣在空氣中的疲勞壽命位于ASME平均曲線稍上位置;在0.9和1.2%高應(yīng)變幅下,試樣在空氣中的疲勞壽命位于ASME平均疲勞疲勞曲線偏下位置;在0.6%應(yīng)變幅下,試樣在室溫空氣和高溫空氣中的疲勞壽命相當(dāng),表明當(dāng)空氣溫度在325 ℃以下時(shí),溫度對(duì)國(guó)產(chǎn)化鍛造316LN不銹鋼主管道的疲勞壽命影響不大。

圖7 316LN不銹鋼在空氣和模擬一回路水中的疲勞壽命與應(yīng)變幅的關(guān)系

表2 試樣在空氣和模擬一回路水中的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖7還可見:與空氣中相比,316LN不銹鋼在含DO的模擬一回路水中的疲勞壽命最大下降了約10倍,從最大的8 739疲勞周次下降到了最小的888疲勞周次,即Fen可達(dá)10,但仍在ASME設(shè)計(jì)疲勞曲線上方。

在模擬一回路水中,與應(yīng)變速率0.4×10-3s-1條件下的結(jié)果相比,當(dāng)應(yīng)變速率為0.4×10-4s-1時(shí),試樣的疲勞壽命更短,說(shuō)明在更低的應(yīng)變速率下EAF效應(yīng)更顯著?？偟膩?lái)看,當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí),試樣的EAF壽命隨DO含量的變化不大,疲勞壽命偏差不超過(guò)30%,在圖7中表現(xiàn)為疲勞壽命點(diǎn)相互重疊。由表2還可見,當(dāng)其他環(huán)境因素相同時(shí),試樣的EAF壽命隨DO含量的變化基本呈一水平線,在不同應(yīng)變速率下,這種變化趨勢(shì)是一致的。

上述趨勢(shì)與JNES-SS-1005標(biāo)準(zhǔn)中的模型描述(圖8)是一致的,但與NUREG/CR-6909標(biāo)準(zhǔn)中的模型(圖9)有所不同。在NUREG/CR-6909標(biāo)準(zhǔn)中,其模型考慮了DO含量對(duì)不銹鋼EAF壽命的影響,認(rèn)為在低含量DO(<0.1 mg·L-1)條件下,EAF壽命是高含量DO(≥0.1 mg·L-1)條件下的兩倍。但仔細(xì)比較其中的數(shù)據(jù)(圖8)可以發(fā)現(xiàn):第一,標(biāo)準(zhǔn)中給出這一結(jié)論的數(shù)據(jù)較少;第二,當(dāng)應(yīng)變速率較大(>0.1×10-3s-1)時(shí),DO含量對(duì)EAF壽命的影響并不明顯(圖8所示的圓框處),而當(dāng)應(yīng)變速率較小(≤0.1×10-3s-1)時(shí),在低含量DO條件下EAF壽命會(huì)有較明顯的降低(圖8所示的方框處);第三,在低含量DO條件下,304不銹鋼的EAF壽命明顯降低(約75%),而316不銹鋼的EAF壽命僅降低約30%。

圖8 JNES-SS-1005標(biāo)準(zhǔn)中不同DO含量條件下奧氏體不銹鋼的Fen

圖9 NUREG/CR-6909標(biāo)準(zhǔn)中不同DO含量下304和316不銹鋼的疲勞壽命與應(yīng)變速率的關(guān)系

上述分析表明,相比于DO含量,應(yīng)變速率對(duì)EAF壽命的影響更大,且只有在應(yīng)變速率足夠低時(shí),EAF效應(yīng)才會(huì)更顯著。DO含量會(huì)影響氧化膜結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響疲勞裂紋萌生機(jī)理[5],但當(dāng)應(yīng)變速率較大(如>0.1×10-3s-1)時(shí),DO含量對(duì)EAF壽命的影響可能會(huì)被應(yīng)變速率、材料成分、熱處理等差異造成的影響覆蓋,從而在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中數(shù)據(jù)變化并不明顯,變化幅度不超過(guò)30%。因此,對(duì)于國(guó)產(chǎn)化鍛造主管道316LN不銹鋼的EAF壽命,在建立較為精確的統(tǒng)計(jì)模型時(shí)需要細(xì)分應(yīng)變速率范圍,并考慮DO含量的影響,但具體的應(yīng)變速率范圍劃分仍需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能確定,特別是在0.1×10-4～0.1×10-3s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)DO含量對(duì)材料EAF壽命能的影響值得仔細(xì)研究。

3 結(jié)論

(1) 在空氣中,溫度(325 ℃以下)對(duì)國(guó)產(chǎn)化鍛造316LN不銹鋼主管道的疲勞壽命影響不大。

(2) 在模擬一回路高溫高壓水環(huán)境中,316LN不銹鋼的EAF壽命降低,但仍在ASME設(shè)計(jì)疲勞曲線上方。在不同DO含量條件下,316LN不銹鋼的EAF斷口均呈典型的多裂紋源起始特征,裂紋源均為扇形花樣,呈準(zhǔn)解理開裂特征,裂紋擴(kuò)展區(qū)均為典型的疲勞輝紋特征。疲勞斷口上覆蓋的腐蝕產(chǎn)物主要為富Fe、Cr、Ni的尖晶石氧化物,隨著DO含量的增加,氧化物顆粒數(shù)量增加、尺寸變大。

(3) 結(jié)合不同的統(tǒng)計(jì)模型可知,在0.4×10-4～0.4×10-3s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi),不同DO含量條件下316LN不銹鋼的EAF壽命偏差不超過(guò)30%,未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)差異。在建立較為精確的統(tǒng)計(jì)模型時(shí)需要細(xì)分應(yīng)變速率范圍,并著重研究0.1×10-4～0.1×10-3s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)DO含量對(duì)國(guó)產(chǎn)化鍛造316LN不銹鋼主管道的EAF壽命的影響。