溶解氧含量對國產化鍛造主管道316LN不銹鋼環境促進疲勞壽命的影響

鄭 會,張 維,李國健,李 杰,譚季波,吳欣強

(1. 國核電站運行服務技術有限公司,上海 200233;2.中核核電運行管理有限公司,海鹽314301;3.中國科學院金屬研究所,沈陽 110016)

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

因此,美國核管會于1993年發布了通用安全問題(GSI)GSI-166和GSI-190,并于1999年致信ASME要求修改其疲勞設計規范曲線。之后,在2007年和2018年美國核管會分別頒布了Regulatory Guide 1.207第0版和第1版,要求新建及延壽核電站安全設計和疲勞分析必須充分考慮一回路冷卻劑環境因素的影響。

在此基礎上,近20 a,以美國阿貢國家實驗室(ANL)、日本原子力安全基盤機構(JNES)、中國科學院金屬研究所(IMR)為代表的研究機構,對模擬一回路冷卻劑高溫高壓水環境對核級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變速率、溫度、溶解氧(DO)等因素的影響,建立了考慮環境因素的ANL模型(美國)、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計曲線。

這3個模型都屬于根據試驗數據建立的統計模型,對于環境因素的評價也都使用了環境疲勞校正因子(Fen)來處理,但在如何處理DO含量對不銹鋼在高溫高壓水環境中EAF性能的影響上有所區別。ANL模型的最初版本和JNES模型都認為DO含量對不銹鋼的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]則認為:在高含量DO環境中不銹鋼材料會有更長的疲勞壽命;在低含量DO環境中,環境因素的影響會更明顯,導致其疲勞壽命反而降低。

隨著中國三代核電的發展,鍛造奧氏體不銹鋼主管道已經全面自主化和國產化,但關于國產化鍛造主管道316LN不銹鋼的EAF試驗數據仍較為缺乏。因此,很有必要開展國產化316LN不銹鋼鍛件在模擬一回路冷卻劑高溫高壓水環境中EAF壽命的試驗研究,并驗證設計疲勞曲線的適用性,為設計、評價和運維提供數據支撐。

1 試驗

1.1 試驗材料

使用的316LN不銹鋼來自按三代核電國產化鍛造主管道工藝生產的管道模擬件,其規格為φ798 mm×75 mm,材料為SA376-TP316LN,其化學成分及ASME BPVC II Materials Part A標準值見表1。如圖1所示,從管道內壁1/4壁厚處取樣進行金相檢驗,取圓棒試樣在空氣中和模擬一回路高溫高壓水環境中進行疲勞試驗,試樣標距段直徑為8 mm,長度為16 mm。如圖2所示,試樣3個取向上的顯微組織均為典型的奧氏體,分布有一定數量的孿晶,晶界平直。3個取向上的平均晶粒尺寸分別為71.0,76.6,68.0 μm,無明顯區別。

圖1 取樣示意圖

圖2 金相檢驗試樣截面3個取向上的顯微組織

表1 316LN不銹鋼的化學成分

1.2 疲勞試驗

(1)

空氣中的疲勞試驗在島津疲勞試驗機上進行,應變幅分別為0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,應變速率為0.004 s-1,溫度分別為25 ℃和325 ℃。每個試驗條件設置3個平行試樣。

模擬一回路水中的疲勞試驗在高溫高壓循環水腐蝕疲勞試驗裝置中進行,試驗溫度為325 ℃,試驗壓力為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、分析純級硼酸(H3BO3)和分析純級氫氧化鋰(LiOH·H2O)配制試驗溶液。利用高純N2和高純O2控制DO含量。應變幅為0.6%,應變速率分別為0.4×10-3s-1和0.4×10-4s-1。為研究DO含量對材料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含量下進行試驗,每個試驗條件設置3個平行試樣。

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物的化學成分。

2 結果與討論

2.1 形貌觀察

由圖3可見:在不同DO含量下疲勞試驗后,試樣的表面狀態基本一致,其表面覆蓋灰色腐蝕產物,裂紋宏觀上垂直于加載軸,微觀上曲折擴展。將經疲勞試驗后的試樣置于空氣中,進行拉-拉疲勞試驗直至斷裂,觀察其斷口形貌。如圖4所示:灰黑色部分為疲勞試驗開裂區域,覆蓋有腐蝕產物;銀白色部分為在空氣中斷裂的區域;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(疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和疲勞裂紋尖端區)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別,疲勞斷口上均有“山脊”。“山脊”是裂紋橋接時產生的,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,呈準解理開裂特征,裂紋擴展區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的高溫高壓水環境中,試樣表面腐蝕產物主要為富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量增加,且尺寸變大。

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

圖4 不同DO含量條件下試樣經疲勞試驗后的斷口宏觀形貌(應變速率為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物EDS分析結果(應變速率為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物EDS分析結果(應變速率為0.4×10-3 s-1)

綜上所述可見,在不同DO含量條件下,試樣經疲勞試驗后的表面裂紋形貌、斷口宏觀及微觀形貌均差別不大,說明其EAF行為和機理區別不大。

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%應變幅下,試樣在室溫空氣和高溫空氣中的疲勞壽命相當,表明當空氣溫度在325 ℃以下時,溫度對國產化鍛造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變幅的關系

表2 試樣在空氣和模擬一回路水中的疲勞試驗結果

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10,但仍在ASME設計疲勞曲線上方。

在模擬一回路水中,與應變速率0.4×10-3s-1條件下的結果相比,當應變速率為0.4×10-4s-1時,試樣的疲勞壽命更短,說明在更低的應變速率下EAF效應更顯著。總的來看,當應變速率相同時,試樣的EAF壽命隨DO含量的變化不大,疲勞壽命偏差不超過30%,在圖7中表現為疲勞壽命點相互重疊。由表2還可見,當其他環境因素相同時,試樣的EAF壽命隨DO含量的變化基本呈一水平線,在不同應變速率下,這種變化趨勢是一致的。

上述趨勢與JNES-SS-1005標準中的模型描述(圖8)是一致的,但與NUREG/CR-6909標準中的模型(圖9)有所不同。在NUREG/CR-6909標準中,其模型考慮了DO含量對不銹鋼EAF壽命的影響,認為在低含量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。但仔細比較其中的數據(圖8)可以發現:第一,標準中給出這一結論的數據較少;第二,當應變速率較大(>0.1×10-3s-1)時,DO含量對EAF壽命的影響并不明顯(圖8所示的圓框處),而當應變速率較小(≤0.1×10-3s-1)時,在低含量DO條件下EAF壽命會有較明顯的降低(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標準中不同DO含量條件下奧氏體不銹鋼的Fen

圖9 NUREG/CR-6909標準中不同DO含量下304和316不銹鋼的疲勞壽命與應變速率的關系

上述分析表明,相比于DO含量,應變速率對EAF壽命的影響更大,且只有在應變速率足夠低時,EAF效應才會更顯著。DO含量會影響氧化膜結構,進而影響疲勞裂紋萌生機理[5],但當應變速率較大(如>0.1×10-3s-1)時,DO含量對EAF壽命的影響可能會被應變速率、材料成分、熱處理等差異造成的影響覆蓋,從而在統計結果中數據變化并不明顯,變化幅度不超過30%。因此,對于國產化鍛造主管道316LN不銹鋼的EAF壽命,在建立較為精確的統計模型時需要細分應變速率范圍,并考慮DO含量的影響,但具體的應變速率范圍劃分仍需要更多的試驗數據才能確定,特別是在0.1×10-4～0.1×10-3s-1應變速率范圍內DO含量對材料EAF壽命能的影響值得仔細研究。

3 結論

(1) 在空氣中,溫度(325 ℃以下)對國產化鍛造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境中,316LN不銹鋼的EAF壽命降低,但仍在ASME設計疲勞曲線上方。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,呈準解理開裂特征,裂紋擴展區均為典型的疲勞輝紋特征。疲勞斷口上覆蓋的腐蝕產物主要為富Fe、Cr、Ni的尖晶石氧化物,隨著DO含量的增加,氧化物顆粒數量增加、尺寸變大。

(3) 結合不同的統計模型可知,在0.4×10-4～0.4×10-3s-1應變速率范圍內,不同DO含量條件下316LN不銹鋼的EAF壽命偏差不超過30%,未表現出明顯的統計差異。在建立較為精確的統計模型時需要細分應變速率范圍,并著重研究0.1×10-4～0.1×10-3s-1應變速率范圍內DO含量對國產化鍛造316LN不銹鋼主管道的EAF壽命的影響。