國(guó)產(chǎn)核電主管道用316LN鋼的低周疲勞性能評(píng)估

侍克獻(xiàn)　田根起　王苗苗　楊昌順　王延峰

0 引言

核電主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器核島一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是輸出堆芯熱能的大動(dòng)脈，在核電機(jī)組的整個(gè)服役周期內(nèi)不可更換，因此其安全性要求非常高。AP1000和CAP1400三代壓水堆核電機(jī)組的主管道服役環(huán)境復(fù)雜，長(zhǎng)期運(yùn)行在350℃高溫和17 MPa高壓以及高流速純水腐蝕環(huán)境下，同時(shí)還要經(jīng)受啟停、振動(dòng)以及溫度和壓力波動(dòng)等條件的影響，因此主管道用材料的低周疲勞性能是主管道設(shè)計(jì)和壽命分析需要考慮的一個(gè)重要因素。主管道作為核一級(jí)大型厚壁承壓管道，主要選用耐晶間腐蝕、疲勞性能優(yōu)良和焊接性能好的鉻-鎳奧氏體不銹鋼，基中AP1000和CAP1400三代核電機(jī)組的主管道選用了超低碳控氮316LN奧氏體不銹鋼。316LN鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和抗熱老化性能，同時(shí)具備良好的塑性和韌性。為了提高核電站的運(yùn)行安全性，AP1000和CAP1400機(jī)組減少了管道上的焊縫數(shù)量，主要采用實(shí)心鍛造加深孔套料技術(shù)或者空心鍛造技術(shù)這2種整體鍛造工藝來(lái)制造主管道。

目前，主要開(kāi)展了AP1000核電機(jī)組主管道用316LN鋼的低周疲勞性能研究。CAP1400核電機(jī)組在繼承AP1000核電機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高了發(fā)電功率，其主管道在AP1000機(jī)組主管道的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，管道直徑、壁厚和長(zhǎng)度都有了顯著的增加，這使得鍛造管道用的電渣重熔鋼錠的質(zhì)量由80 t提高到130 t左右。這些指標(biāo)的提高對(duì)于鋼錠的鍛造工藝和晶粒度控制、主管道彎制尺寸精度以及熱處理過(guò)程尺寸的控制等都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)制造工藝更為復(fù)雜、制造難度更高的CAP1400主管道進(jìn)行性能評(píng)估，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。基于此，作者在國(guó)產(chǎn)CAP1400核電機(jī)組316LN鋼主管道上取樣，開(kāi)展室溫、服役溫度（350℃）、500℃和600℃條件下的低周疲勞試驗(yàn)，獲得該鋼的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特性，討論了動(dòng)態(tài)時(shí)效應(yīng)變現(xiàn)象；采用Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型擬合穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅和應(yīng)變幅-失效反向數(shù)關(guān)系，探討了ASME設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)價(jià)疲勞性能的方法，并對(duì)國(guó)產(chǎn)316LN鋼的室溫和350℃的疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為保證CAP1400核電機(jī)組一回路完整性提供支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自國(guó)內(nèi)某公司采用空心鍛造工藝制造的CAP1400核電機(jī)組316LN鋼主管道，管道的外徑和內(nèi)徑分別為1 145 mm和800 mm，熱處理態(tài)為1 040～1 060℃固溶處理態(tài)。316LN鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，顯微組織如圖1所示，為單一奧氏體，平均晶粒度約為4級(jí)。

按照GB/T228.1-2010和BG/T228.2-2015，沿主管道軸向截取拉伸試樣，試樣直徑和標(biāo)距分別為12.5mm和50mm，在SANSHST5106型液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫（25℃）到450℃，應(yīng)變速率為0.0042 min-1，不同溫度條件下開(kāi)展3個(gè)平行試驗(yàn)取平均值。按照GB/T15248—2008，沿主管道軸向截取疲勞試樣，試樣直徑和標(biāo)距分別為10 mm和30 mm；在INSTRON8802型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展低周疲勞試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制方式，應(yīng)變比為-1，應(yīng)變速率為1×10-3～4×10-3 s-1，選取循環(huán)峰值應(yīng)力下降到穩(wěn)定峰值應(yīng)力75%時(shí)的循環(huán)次數(shù)作為低周疲勞失效次數(shù)，即低周疲勞壽命Nf；試驗(yàn)溫度為室溫以及350，500，600℃，其中在室溫和350℃條件下開(kāi)展了應(yīng)變幅分別為0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，1.0%，1.1%的試驗(yàn)，獲取316LN鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變-壽命曲線，500℃和600℃下開(kāi)展了應(yīng)變幅為0.6%的試驗(yàn)，觀察316LN鋼的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了材料在不同循環(huán)應(yīng)變幅作用下的應(yīng)力幅響應(yīng)，是疲勞設(shè)計(jì)中的重要性能數(shù)據(jù)。通常采用Ramberg-Osgood模型描述應(yīng)變幅與循環(huán)穩(wěn)定應(yīng)力幅之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：Δεt/2為應(yīng)變幅；Δσ為穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力范圍；Δσ/2為穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅，選取0.5Nf循環(huán)次數(shù)的循環(huán)應(yīng)力幅作為穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅；E為彈性模量；K為循環(huán)硬化系數(shù)；n為循環(huán)硬化指數(shù)。

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中對(duì)穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅和應(yīng)變幅進(jìn)行線性擬合，可以求出K和n。

Manson-Coffin模型實(shí)現(xiàn)了疲勞壽命從定性研究到定量研究的突破，是一種較為常用的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，被ASTME606—2012和GB/T15248—2008采納，其表達(dá)式為

式中：σf為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；εf為疲勞塑性系數(shù)；c為疲勞塑性指數(shù)；2Nf為失效反向數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

由圖2可以看出：316LN鋼的強(qiáng)度和塑性均隨著試驗(yàn)溫度的升高而逐漸下降，但是在300～450℃的溫度區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)平臺(tái)，在該溫度區(qū)域內(nèi)強(qiáng)度和塑性下降不顯著。

2.2 低周疲勞性能

由圖3可以看出，316LN鋼的室溫循環(huán)峰值應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線包含了循環(huán)硬化（曲線上升）、循環(huán)軟化（曲線下降）、穩(wěn)定循環(huán)（曲線平直）和最終失效（曲線快速下降）4個(gè)階段。循環(huán)峰值應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)快速上升并達(dá)到最高值的初始循環(huán)硬化階段占比很小，但應(yīng)變幅越大，循環(huán)硬化階段占比越大；循環(huán)峰值應(yīng)力保持穩(wěn)定的穩(wěn)定循環(huán)階段占據(jù)大部分疲勞壽命周期。316LN鋼在350℃、0.3%低應(yīng)變幅條件下沒(méi)有出現(xiàn)明顯的循環(huán)軟化階段，其余應(yīng)變幅下則均具有與室溫條件類似的循環(huán)響應(yīng)特征。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同應(yīng)變幅下，350℃的循環(huán)峰值應(yīng)力比室溫要低很多。316LN奧氏體不銹鋼中添加了氮元素，會(huì)形成Cr-N近程有序結(jié)構(gòu)，其與位錯(cuò)的交互作用會(huì)促進(jìn)平面滑移，此外添加氮元素還會(huì)降低堆垛層錯(cuò)能，因此導(dǎo)致更為顯著的循環(huán)軟化特征。

在不同溫度和0.6%應(yīng)變幅下316LN鋼在初始軟化階段、循環(huán)硬化階段、循環(huán)軟化階段、循環(huán)穩(wěn)定階段以及失效前的遲滯回線如圖4所示。由圖4可以看出，在500，600℃下的遲滯回線上循環(huán)峰值應(yīng)力出現(xiàn)很明顯的鋸齒狀波動(dòng)，說(shuō)明316LN鋼發(fā)生了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，350℃下動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的相關(guān)特征不太明顯，而室溫下未觀察到該現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象是位錯(cuò)和溶質(zhì)原子相互作用引起的。不銹鋼的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象一般在400～600℃更為顯著，作者研究的試驗(yàn)結(jié)果符合這一規(guī)律。

由圖5可以看出，在350℃條件下316LN鋼的穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅顯著低于室溫條件，Ramberg Osgood模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差小于8%，說(shuō)明Ramberg-Osgood模型可以較好地?cái)M合316LN鋼的穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅曲線。由圖6可以看出，模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差小于7%，可知Manson-Coffin模型可以很好地?cái)M合316LN鋼的應(yīng)變幅-失效反向數(shù)曲線。室溫和350℃條件下的Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型的各項(xiàng)參數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 低周疲勞性能評(píng)價(jià)

雖然上述Manson-Coffin模型在疲勞數(shù)據(jù)擬合中得到了廣泛應(yīng)用，但是ASME鍋爐及壓力容器（BPVC）規(guī)范在獲取疲勞設(shè)計(jì)曲線時(shí)卻采用Langer模型對(duì)疲勞應(yīng)變-壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。Langer模型更加方便可靠，適合處理多種相近材料聯(lián)合擬合的情況，其表達(dá)式如下：

Δεt/2=A1（Nf）-n1+A2（3）

式中：A1，A2，n1均為材料參數(shù)，通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

ASME規(guī)范規(guī)定，碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼的n1均取0.5。采用Langer模型對(duì)服役溫度在425℃以下應(yīng)變控制的不銹鋼疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得了最佳擬合疲勞曲線（也稱平均擬合疲勞曲線），并在2009年的規(guī)范增補(bǔ)中對(duì)該曲線進(jìn)行了修訂。由圖7可見(jiàn)，室溫和350℃服役條件下的低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均高于不銹鋼的最佳擬合疲勞曲線，這表明試驗(yàn)研究的國(guó)產(chǎn)核電主管道用316LN鋼的低周疲勞性能滿足ASME規(guī)范要求。

此外，ASME規(guī)范考慮了包括材料批次、部件尺寸、表面粗糙度以及載荷歷史等因素對(duì)數(shù)據(jù)分布的影響，將試驗(yàn)應(yīng)力或者應(yīng)變調(diào)整系數(shù)K1定為2，疲勞壽命調(diào)整系數(shù)K2定為20，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)除以調(diào)整系數(shù)，并取這2種方式得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)的下包絡(luò)線作為疲勞設(shè)計(jì)曲線。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究表明，疲勞壽命調(diào)整系數(shù)取20時(shí)獲得的結(jié)果太保守，因此ASME規(guī)范在2009年的增補(bǔ)中將不銹鋼等材料的疲勞壽命調(diào)整系數(shù)K2由20改為12。盡管如此，NUREG/CR6909認(rèn)為該系數(shù)未來(lái)仍有可能繼續(xù)調(diào)整到10。

將室溫下取不同調(diào)整系數(shù)的316LN鋼低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與ASMEBPVC規(guī)范第三卷附錄I-9.2（ASMEⅢ-AI-9.2）的疲勞設(shè)計(jì)曲線以及NH分卷的T1420-1B（ASMEⅢ-NHT1420-1B）的40℃疲勞設(shè)計(jì)曲線同繪于圖8（a）中，可見(jiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均位于ASMEⅢ-NHT1420-1B的40℃疲勞設(shè)計(jì)曲線上。鑒于前述316LN鋼的拉伸性能在300～450℃的溫度區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)平臺(tái)，且350℃和425℃均低于不銹鋼蠕變溫度，將350℃條件下取調(diào)整系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和ASMEⅢ-NHT1420-1B的425℃疲勞設(shè)計(jì)曲線以及ASMEⅢ-AI-9.2的316疲勞設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖8（b）所示?？梢?jiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均位于2條疲勞設(shè)計(jì)曲線上方，這表明國(guó)產(chǎn)核電主管道用316LN鋼的低周疲勞性能滿足ASME規(guī)范要求。

3 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)CAP1400核電機(jī)組主管道用316LN鋼的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)過(guò)程包含循環(huán)硬化、循環(huán)軟化、穩(wěn)定循環(huán)和最終失效4個(gè)階段；500，600℃下316LN鋼發(fā)生顯著的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，350℃下動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效特征不明顯，室溫下不存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。

（2）在350℃下316LN鋼的穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅顯著低于室溫條件，Ramberg-Osgood模型擬合得到的穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅-應(yīng)變幅關(guān)系與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差小于8%，說(shuō)明Ramberg-Osgood模型的預(yù)測(cè)精度高；Manson-Coffin模型擬合得到316LN鋼的應(yīng)變幅-失效反向數(shù)關(guān)系與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差小于7%，說(shuō)明Manson-Coffin模型的預(yù)測(cè)精度高。

（3）在室溫和350℃條件下316LN鋼的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)均高于ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范修訂后的最佳擬合疲勞曲線，應(yīng)變調(diào)整系數(shù)取2或疲勞壽命調(diào)整系數(shù)取12的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均高于該規(guī)范第三卷附錄I-9.2以及NH分卷的T1420-1B的設(shè)計(jì)疲勞曲線。

本文摘自《機(jī)械工程材料》2023年第5期