反應堆壓力容器用508Ⅲ低合金鋼在高溫高壓硼鋰水環境中的應力腐蝕開裂行為

汪家梅,蘇豪展,張樂福,陳 凱,杜東海,熊 團,王 慧,沈康華,吳麗華

(1.上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240; 2.浙江國檢檢測技術股份有限公司，海鹽 314300)

碳鋼和低合金鋼(LAS)由于成本低，且具有很好的力學性能、焊接性能和抗高溫應力腐蝕開裂(SCC)等優勢，被廣泛用于制作反應堆壓力容器一、二回路管道等核電站壓力邊界構件[1-3]。因此，這些碳鋼和低合金鋼在壓力邊界高溫下的結構完整性、運行可靠性對核電站的安全運營及壽命評估至關重要。

1 試驗

1.1 試驗材料與試樣

試驗材料為商用核級508Ⅲ低合金鋼，其化學成分(質量分數)為：0.15% Cr，0.79% Ni，0.19% C，1.46% Mn，0.78% Mo，0.001 8% S，0.24% Si，余量Fe。508Ⅲ低合金鋼的顯微組織主要由鐵素體和晶間碳化物組成，如圖1所示。將試驗材料制成標準緊湊拉伸(CT)試樣，詳細尺寸見圖2，為保證裂紋擴展平直穩定，在CT試樣斷裂面兩側加工出深度為5%的引導槽，盡量減小由于裂紋偏離而導致的測量誤差。

圖1 核級508Ⅲ低合金鋼的顯微組織

(a) 三維圖 (b) 主視圖

1.2 試驗條件與方法

試驗裝置由高溫高壓反應釜、拉伸機、控制系統、水化學回路和反應釜內電化學回路組成，詳見文獻[12]。試驗過程中，涉及的載荷、頻率、載荷比、應力強度因子等力學參數均由相應的控制軟件實時檢測并記錄。裂紋擴展長度采用DCPD技術在線連續測量，測量精度可達1 μm，直流電的供給和電壓降的測量均采用點焊鉑絲的方式。通過不銹鋼貫穿件中的高溫陶瓷和熱縮聚四氟乙烯管將信號線與釜體絕緣，試樣、加載銷釘、夾具與釜體之間采用高溫陶瓷管和高溫陶瓷墊片進行電絕緣。具體的信號測量原理、試驗方法和試驗注意事項參見文獻[12-15]。內置式Cu/Cu2O/ZrO2參比電極[16-17]用于測量試樣的自腐蝕電位，所有電位最終均轉換為相對于標準氫電極(SHE)的電位。

在反應釜中用高溫高壓硼鋰水模擬壓水堆(PWR)一回路水環境，試驗條件如表1所示。通過動態循環水化學回路[18]控制并監測釜內水化學環境。釜內的水更換速率為2次/h。通過持續鼓氣的方式向釜內通入氧氣和氫氣，并由氣體質量流量計控制其流量，從而控制溶液中溶解氧(DO)含量和溶解氫(DH)含量。釜內溫度為(300.0±0.5)℃，壓力為(15.5±0.2)MPa。

表1 裂紋擴展速率試驗條件

試驗前，對樹脂床進行了硼/鋰化使其達到目標硼/鋰濃度，試驗過程中通過蠕動泵加入適量硼酸調節溶液電導率，維持進出口電導率為(22.3±2)μS/cm。

試驗通常分為4個階段：空氣中預制疲勞裂紋階段，水中疲勞擴展向恒載荷SCC過渡階段，恒載荷SCC階段和試驗后疲勞拉斷階段[12-15,19]。首先，在空氣中采用頻率為1 Hz, 應力比R分別為0.3,0.5,0.7的正弦波對試樣加載，預制長約1 mm的尖銳裂紋。之后，在模擬PWR一回路水環境的反應釜中采用梯形波加載，根據試驗材料每個階段的裂紋擴展速率，依次降低加載頻率至0.001 Hz，并逐漸延長最大載荷的維持時間至9 000 s。完成裂紋擴展的過渡后，試驗進入恒載荷加載的SCC測量階段，在恒載荷加載過程中可以在線更改加載方式及溫度、DO含量、雜質離子(Cl-)含量等水化學條件。試驗結束后，取出試樣，沿著厚度方向線切割為2份，一份打磨拋光后用于觀察裂紋擴展路徑，另一份在室溫疲勞拉斷，然后觀察其斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 裂紋擴展曲線

圖3為周期性循環加載下508Ⅲ01試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴展曲線。由圖3可見，在含氧水環境、周期性循環加載方式下，508Ⅲ01試樣的裂紋擴展速率較高，在最高載荷維持9 000 s時仍能保持在2.4×10-7mm/s，當裂紋擴展至一定階段后，甚至出現了急劇增加(1.9×10-5mm/s)的現象即“Burst”現象。可見，在含氧水中，一旦存在動態疲勞載荷，508Ⅲ低合金鋼將具有較高的SCC敏感性，容易導致該鋼部件發生突然快速開裂失效事故。

圖3 周期性循環加載下508Ⅲ01試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴展曲線

由于508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的應力腐蝕開裂持續時間較長，且在試驗過程中各參數發生多次變化，將其裂紋擴展曲線分為多個階段，如圖4～7所示，并對整個過程中的裂紋擴展速率進行匯總，見表2。表中的時間如500 s/0 s/50 s分別表示梯形波加載上升時間/最高載荷維持時間/卸載時間。

表2 508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中裂紋擴展速率匯總

圖4 周期性循環加載下508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴展曲線和自腐蝕電位

圖4為周期性循環加載下508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴展曲線和自腐蝕電位。由圖4可見，在含氫(1.58 mg/L)水環境中、周期性循環加載方式下，508Ⅲ02試樣的裂紋擴展速率較低，應力比為0.7時，降低加載頻率至0.001 Hz(維持0 s)，裂紋擴展速率降低至1.0×10-9mm/s，裂紋幾乎停止擴展；應力比降至0.5，再次過渡激活裂紋，當最高載荷維持時間延長至3 000 s時，裂紋擴展速率再次降低至1.9×10-9mm/s。可見，508Ⅲ低合金鋼在含氫水中，加載頻率降低至0.001 Hz以下，將顯著降低其SCC敏感性。

(a) DO含量影響 (b) 應力強度因子影響

圖6 恒載荷加載下508Ⅲ02試樣在含氧含氯模擬PWR一回路水中裂紋擴展曲線和自腐蝕電位

圖7 恒載荷加載下508Ⅲ02試樣在含氧和含氫模擬PWR一回路水中裂紋擴展曲線和自腐蝕電位

2.2 裂紋擴展路徑及斷口微觀分析

試驗結束后，使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口形貌進行微觀分析，結果如圖8～9所示。由圖8可見，在DO環境中周期性循環加載方式下，508Ⅲ01試樣的開裂方式為典型的穿晶開裂，斷口平直，斷面粗糙，局部區域可見顯著的二次裂紋。由圖9可見，508Ⅲ02試樣的斷口形貌同樣為穿晶開裂，裂紋尖端呈現出大量的扇形開裂區域，且斷口接近尖端附近不平直，存在顯著的未開裂粘連區，這可能是508Ⅲ02試樣的裂紋擴展曲線在載荷突然增大后出現“跳躍”的主要原因:裂紋擴展不平直，大量的未開裂粘連區影響了裂紋兩段測得的電信號，使平均裂紋擴展速率較低；但一旦發生腐蝕性介質的突變(如突然斷電，增加DO含量等)和載荷的突變(如K增大)將促進未開裂區迅速拉開，造成裂紋擴展曲線“跳躍”，裂紋擴展速率激增的現象。

(a) 整體形貌

圖9 508Ⅲ02試樣的斷口形貌

使用光學顯微鏡和掃描電鏡附帶的電子背散射衍射系統(EBSD)對508Ⅲ02試樣的裂紋擴展路徑和裂紋尖端進行觀察分析，結果如圖10和圖11所示。由圖10可見，裂紋擴展路徑整體較為平直，靠近裂紋尖端附近存在顯著的二次裂紋。由圖11可見，該裂紋主要為穿晶開裂，且裂紋尖端鈍化，為圓弧形(半徑約為25μm)，表明裂紋尖端存在劇烈的金屬溶解和氧化反應，大量的氧化物形成是造成裂紋尖端變“鈍”，裂紋擴展速率降低的主要原因。

圖10 508Ⅲ02試樣上裂紋擴展路徑

(a) 形貌 (b) IPE圖 (c) KAM圖

2.3 裂紋擴展速率數據分析

圖12 508Ⅲ低合金鋼的裂紋擴展數據與文獻中幾種低合金鋼數據對比

基于上述研究結果，在設計選材時，應嚴格控制低合金鋼的硫含量(質量分數低于0.004%)；其次，服役過程中需要嚴格監控水中的氧含量以及雜質離子含量，雖然低硫合金鋼在低載荷和載荷恒定時對溶解氧和雜質離子具有一定的容忍度，但一旦發生腐蝕性介質的突變(如突然斷電，DO含量增加等)和載荷的突變(K增大)，將造成裂紋擴展速率激增的現象。

3 結論

(1)在較低的恒載荷條件下，508Ⅲ低合金鋼在含氧及除氧水環境中裂紋擴展速率均低于BWRVIP-60 Line 1預測曲線，且對氧化性介質和雜質離子具有較高的SCC容忍度。

(2)通入DH或者低腐蝕電位的介質環境是維持508Ⅲ低合金鋼較低裂紋擴展速率的關鍵因素。

(3)恒載荷條件下，508Ⅲ低合金鋼在含氧及除氧水環境中均具有較低的裂紋擴展速率，但一旦發生腐蝕性介質的突變和載荷的突變，將造成裂紋擴展速率激增的現象。

(4)在含氧及除氧水環境中508Ⅲ低合金鋼的開裂均由穿晶開裂主導，裂紋尖端存在劇烈的金屬溶解和氧化，大量的氧化物形成是造成裂紋尖端變“鈍”，裂紋擴展速率降低的主要原因。

致謝:感謝上海交通大學分析測試中心提供的微觀分析