冷卻劑環境下應變速率對國產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. 生態環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）

環境影響疲勞壽命（EAF）不但是新建核電廠設計階段需要考慮的因素之一，也是老電廠許可證延續（OLE）階段時限老化分析需要重點考慮的內容，核電廠老化管理通用經驗報告NUREG-1801[1]X.M1 中要求“通過評價反應堆冷卻劑環境對核電廠關鍵部件的影響，老化管理大綱論述反應堆冷卻劑環境對核1 級設備疲勞壽命的影響（確定環境影響累積使用因子CUFen）。對于低合金鋼根據NUREG/CR-6909[2]中的疲勞設計曲線（圖A.1、圖A.2 和表A.1）評價環境對關鍵設備疲勞的影響”。基于日本研究機構和美國阿貢國家實驗室的試驗數據，NUREG/CR-6909 給出了材質、載荷和環境各種因素對材料疲勞壽命的影響結論，但相關結論對于國產材料的適用性需要結合實際產品材料的環境疲勞試驗結果予以評價。

作為國產低合金鋼材料環境影響疲勞性能項目之一，本試驗主要研究應變速率對國產反應堆壓力容器（RPV）低合金鋼材料環境服役疲勞壽命的影響規律，并驗證相應報告及環境影響因子（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。經檢測，其室溫和高溫空氣中的常規力學性能滿足ASME 規范標準[3]和技術規格書的要求。

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

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

參照GB/T 15248[5]的相關要求選取5 個應變速率點（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，其中每個應變速率參數點至少完成3 個平行樣品的測試。試驗的主要控制參數如表2 所示。

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

2 試驗結果與分析

2.1 環境疲勞壽命試驗結果與分析

采用如上所述試驗裝置，對低合金鋼試樣按照設定試驗參數開展高溫高壓循環水環境下的疲勞試驗，得到國產鍛造RPV 低合金鋼材料的環境疲勞壽命數據，并與室溫空氣中的疲勞試驗數據和ASME 設計/名義疲勞曲線進行比較，如圖4 所示。

圖4 試驗數據點Fig.4 Fatigue testing data

分析試驗數據點可以得出如下規律：

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

（2）從應變速率與疲勞壽命影響規律（見圖5）可以看出：試驗條件下，國產RPV 用SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼材料的環境疲勞壽命隨應變速率下降而降低；當應變速率從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，同時與應變速率下降呈現一定的對數關系；即1%s-1～0.004%s-1應變速率范圍內SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼的環境疲勞效應顯著，這與Chopra 等的研究結果[2]基本一致。

圖5 應變速率與疲勞壽命影響規律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 采用環境疲勞修正系數Fen方式對原疲勞設計進行相應的修正，其中規定：

并給出了低合金鋼的Fen計算公式及其參數約定和閾值條件，近幾年NRC 結合最新的環境疲勞試驗數據對原計算公式等內容進行修訂，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。可以看出低應變速率條件下試驗得到的疲勞壽命數據點主要分布在各自Fen修正名義疲勞曲線的上方，說明采用公式3 進行的Fen修正基本包絡國產RPV 低合金鋼材料的EAF效應，但個別高應變速率試驗數據點無法完全被包絡，相應的Fen預測公式應結合國產材料的EAF 試驗數據考慮修正。

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，在高應變速率條件下國產RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼環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。隨著應變速率降低，疲勞試樣表面的疲勞主裂紋呈現與加載軸的夾角逐漸減小直至垂直的趨勢。

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

從每個數據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RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金鋼的疲勞斷口表面粗糙，呈現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）Fig.8 The morphology of fractures

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

2.4 后續工作

鑒于國產RPV 低合金鋼高溫高壓水環境疲勞試驗數據較少，后續將進一步開展溫度、應變速率、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 服役條件的低低應變速率條件的環境影響疲勞試驗，獲取充分的試驗數據，在收集和整理國內各研究單位試驗數據的基礎上，開發國產RPV 低合金鋼材料的環境疲勞影響因子Fen計算公式。

3 總結

綜合分析本試驗結果，可以得到如下的規律和結論：

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

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

（3）環境疲勞修正系數Fen可采用NUREG/CR-6909 最新版規定進行計算，但需根據國產材料的試驗數據考慮修正，后續可考慮國產 RPV 低合金鋼材料的環境疲勞影響因子Fen計算公式的開發和應用。