圖 1 主管道316LN不銹鋼試件的CT試樣取樣示意
Figure 1. Schematic for taking the CT specimens from a 316LN stainless steel main pipe block
分享：不同溫度下316LN不銹鋼的低頻腐蝕疲勞裂紋擴展行為
壓水堆核電站核島一回路主管道（以下簡稱主管道）是連接核反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器以及主循環(huán)泵的大口徑承壓管道，是一回路系統(tǒng)中的關(guān)鍵壓力邊界。主管道在高溫、高壓高負(fù)荷狀態(tài)下運行，內(nèi)壁接觸一回路高溫水。反應(yīng)堆啟動、停堆和功率變化會引起管道的熱應(yīng)力、壓力瞬態(tài)波動以及流致振動，形成疲勞工況以及腐蝕疲勞工況，需要對主管道的相關(guān)服役性能進行測試以及安全評價[1-4]。我國壓水堆核電站主管道采用不銹鋼材料，三代核電站主管道采用鍛造不銹鋼材料，而之前多采用鑄造不銹鋼材料[1-2]。有關(guān)不銹鋼在模擬壓水堆一回路水中腐蝕疲勞性能已有一些工作[4-14]，ASME Section XI Code Case N-809（以下簡稱ASME N-809）[4]給出了奧氏體不銹鋼在壓水堆一回路水中的腐蝕疲勞裂紋擴展速率（CFCPR）參考曲線和相關(guān)公式，包括了溫度、頻率（f）、載荷上升時間（tR）、應(yīng)力強度因子幅值（ΔK）、載荷比（R）等參數(shù)的影響。CIPOLLA等[11]分析了ASME N-809參考曲線與模型的設(shè)定背景與依據(jù)，該模型認(rèn)為當(dāng)CFCPR的平均活化能為16.74 kJ/mol時與數(shù)據(jù)擬合較好。TICE等[7]測試了鍛造304L不銹鋼在模擬PWR一回路水環(huán)境中在鋸齒形加載波形下的CFCPR，結(jié)果表明：在大部分條件下，300 ℃時得到的CFCPR高于250 ℃時的，這種效應(yīng)似乎在較短的上升時間（較低的頻率）內(nèi)最為顯著；200 ℃時的CFCPR明顯低于較高溫度時，而150 ℃時的環(huán)境因素影響進一步降低。SEIFERT等[10]測試了304L與316L等奧氏體不銹鋼在不同溫度含溶解氫（DH）高純水環(huán)境中的CFCPR，結(jié)果表明溫度對CFCPR有明顯的影響：在100~150 ℃，CFCPR明顯增大，且溫度閾值隨著加載頻率降低有下降的趨勢。ZHANG等[14]測試了316LN不銹鋼在除氧高溫水（溶解氧質(zhì)量濃度低于5 μg/L）環(huán)境中使用鋸齒波載荷作用下的CFCPR，結(jié)果表明：在應(yīng)力比（R）為0.05的條件下，當(dāng)水溫超過220 ℃以及載荷上升時間超過30 s時，升高溫度對CFCPR的加速作用逐漸明顯。溫度是影響所有物理和化學(xué)過程的一般參數(shù)，可以通過影響力學(xué)、材料、環(huán)境性能及其協(xié)同作用來影響開裂擴展速率，如腐蝕疲勞裂紋擴展速率[4-13]、應(yīng)力腐蝕開裂擴展速率[16-21]以及CFCPR等。筆者使用三代壓水堆核電站用主管道316L不銹鋼，測試了80，250，320 ℃三個溫度下模擬壓水堆一回路水中低頻、較高R值、不同應(yīng)力強度因子幅值作用下的CFCPR數(shù)據(jù)，重點研究了溫度對主管道材料316LN不銹鋼腐蝕疲勞擴展的影響規(guī)律，以期為相關(guān)條件下的構(gòu)件可靠性評估與壽命預(yù)測提供依據(jù)。
1. 試驗
試驗材料取自國產(chǎn)三代壓水堆核電站主管道用316LN不銹鋼（以下簡稱316LN）。腐蝕疲勞裂紋擴展試驗采用緊湊拉伸（CT）試樣，參照ASTM E399以及GB/T 6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》中推薦的試樣尺寸加工。試驗中采用0.5T CT及1T CT試樣，取樣位置如圖1所示。試樣先在空氣中預(yù)制疲勞裂紋，并根據(jù)兩側(cè)的裂紋長度估算應(yīng)力強度因子（因為試樣厚度方向上裂紋長度可能有差別）。腐蝕疲勞裂紋擴展試驗在配備動態(tài)水循環(huán)系統(tǒng)和疲勞拉伸機的高溫高壓釜中進行。試驗前，采用SiC砂紙逐級打磨CT試樣表面。在放入高壓釜中之前使用丙酮和去離子水超聲清洗。
試驗所用溶液均為含有2.2 mg/L Li+（用LiOH配制）+1 200 mg/L B3+（用H3BO3配制）的模擬PWR一回路水溶液。溶液中DH含量為30 mL STP H2/kg H2O（約相當(dāng)于2.65 mg/L），溶解氧（DO）質(zhì)量濃度<5 μg/L，試驗溫度為80，250，320 ℃。加載參數(shù)為：三角波波形，頻率（f）為0.01 Hz，R=0.79，ΔK選多個數(shù)值。所有試樣均在對應(yīng)的水化學(xué)條件及溫度下進行48 h的預(yù)氧化后再加載疲勞載荷，開始高溫高壓腐蝕疲勞擴展試驗。不同溫度下的疲勞周次分別為：320 ℃下11 592周次，250 ℃下9 504周次，80 ℃下9 720周次。
高溫高壓腐蝕疲勞擴展試驗結(jié)束后降溫、降壓，并打開高壓釜取出試樣，在空氣中疲勞打開試樣。通過使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對疲勞打開后的斷口形貌進行觀察，測量并計算疲勞裂紋擴展長度平均值。有些試樣的腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域不規(guī)則，有些試樣的腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域易識別，因此在計算腐蝕疲勞裂紋擴展量時一般通過觀察試樣斷口上若干腐蝕疲勞裂紋擴展清楚可辨的區(qū)域，測量這些區(qū)域中不同部位腐蝕疲勞裂紋擴展量并取平均值，最后取這些裂紋擴展量平均值中的最大值用于計算腐蝕疲勞裂紋擴展速率。根據(jù)預(yù)制裂紋平均長度采用ASTM E399-1997 Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials及GB/T 6398-2000中的相關(guān)計算公式得出應(yīng)力強度因子K和幅值ΔK，根據(jù)腐蝕疲勞裂紋平均擴展量Δa除以疲勞周次N得出da/dN，見式（1）。
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2. 結(jié)果與討論
2.1 高溫水中腐蝕疲勞試樣斷口形貌
由圖2可見：在320 ℃模擬壓水堆一回路水中經(jīng)過腐蝕疲勞試驗后試樣斷口有一條明顯的疲勞打開區(qū)域與高溫水中氧化區(qū)域的界限，氧化區(qū)域呈不同的金屬氧化后的顏色；腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域由于氧化程度更弱，顏色相對更淺，同時腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域與空氣中預(yù)制裂紋區(qū)域存在一條較為明顯的界限，從該界限至疲勞打開與高溫水區(qū)域界限即為腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域。而在250 ℃環(huán)境中腐蝕后，試樣斷口可見一條明顯的疲勞打開區(qū)域與高溫水區(qū)域的界限，這條界線以下為高溫水氧化區(qū)域，且由于氧化程度更低，其斷口氧化顏色更淺；腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域由于氧化程度與預(yù)制裂紋區(qū)域氧化情況不同，氧化顏色有一定差異，同時腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域與預(yù)制裂紋區(qū)域存在一條較為明顯的形貌界限，從該界限至疲勞打開與高溫水區(qū)域界限即為腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域。由于試樣在80 ℃環(huán)境中的氧化程度較其他兩個溫度下的更弱，斷口疲勞打開區(qū)域與腐蝕疲勞試驗區(qū)域的氧化情況差異較小，顏色區(qū)別更小，但斷口中能發(fā)現(xiàn)兩條突出于斷口表面的界限，同時該區(qū)域存在沿裂紋擴展方向的撕裂棱。
圖 2 不同溫度模擬壓水堆一回路水中，316LN經(jīng)腐蝕疲勞裂紋擴展試驗后斷口的典型形貌
Figure 2. Optical morphology of the typical fracture surfaces of 316LN specimens after corrosion fatigue crack growth tests in simulated PWR primary water at different temperatures
由圖3可見：在320 ℃模擬壓水堆一回路水中經(jīng)過腐蝕疲勞試驗后試樣斷口高溫氧化區(qū)域分布著較多的氧化物顆粒；腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域整體呈典型穿晶型疲勞斷口，部分區(qū)域存在疲勞臺階及河流狀特征，同時有氧化物顆粒沿著疲勞臺階平行分布。在裂紋尖端存在一條很窄的穿晶斷裂特征區(qū)域，該區(qū)域氧化物顆粒相對更稀疏，同時出現(xiàn)氧化物顆粒脫離的現(xiàn)象。而在250 ℃下，由于斷口表面的氧化程度相比320 ℃時的弱，高溫水氧化區(qū)域氧化物顆粒尺寸更小、不明顯，但存在一條突出斷口表面的分界線，該分界線以下即為腐蝕疲勞裂紋擴展區(qū)域，部分區(qū)域存在疲勞臺階及河流狀特征。如圖3（c）所示，由于80 ℃下氧化程度很弱，氧化物顆粒幾乎不可見；在腐蝕疲勞裂紋擴展尖端區(qū)域也能發(fā)現(xiàn)一條相對較窄的特征區(qū)域，該區(qū)域形貌以沿裂紋擴展方向的撕裂棱為主，呈現(xiàn)典型的穿晶型疲勞特征。
圖 3 不同溫度模擬壓水堆一回路水中，316LN經(jīng)腐蝕疲勞裂紋擴展試驗后斷口典型SEM形貌
Figure 3. SEM morphology of the typical fracture surfaces of 316LN specimens after corrosion fatigue crack growth tests in simulated PWR primary water at different temperatures
2.2 高溫水中腐蝕疲勞裂紋擴展速率
圖4為試樣在不同溫度模擬壓水堆一回路水中得到的R=0.79、f=0.01 Hz下的CFCPR，為方便比較，圖4中依據(jù)ASME N-809 Reference Fatigue Crack Growth Rate Curves for Austenitic Stainless Steels in Pressurized Water Reactor Environments給出了環(huán)境疲勞裂紋擴展速率曲線，以及室溫和測試溫度下空氣中奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴展速率數(shù)據(jù)。其中，腐蝕疲勞裂紋擴展速率的計算方法見式（2）~（8）。
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式中：C和C0均為材料常數(shù)，與材料特性、應(yīng)力比、環(huán)境等參數(shù)有關(guān)。n為常數(shù)，2.25；da/dN為疲勞裂紋擴展速率，mm/次；ΔK為應(yīng)力強度因子幅值，MPa·m1/2；TK=T+273.15，K；T為金屬溫度，℃；tR為周期性載荷波形中的加載上升時間，s，本工作中頻率0.01 Hz對應(yīng)周期為100 s，由于采用對稱的三角波，載荷上升時間為周期的一半即500 s；ΔKth=1.10 MPa·m1/2；S是考慮R、T等因素影響的比例參數(shù)；R為疲勞載荷比（KImin/KImax）。按照式（2）計算的疲勞裂紋速率da/dN除以疲勞周期或者乘以疲勞頻率f可得到以裂紋長度隨時間變化的裂紋擴展速率，用da/dt表示，見公式（9）。
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圖 4 不同溫度模擬壓水堆一回路水中，316LN的腐蝕疲勞裂紋擴展速率實測值及根據(jù)ASME N-809和ASME C-8410公式的計算結(jié)果
Figure 4. The measured corrosion fatigue crack propagation rate of 316LN in simulated pressurized water reactor primary water at different temperatures and the calculated results based on ASME N-809 and ASME C-8410 formulas
ASME XI C-8410 Results for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Compnents（以下簡稱C-8410）給出了奧氏體不銹鋼在空氣中的疲勞裂紋擴展速率參考曲線與ΔK、溫度、R的相關(guān)性，其裂紋擴展速率公式參照式（2）、由式（10）~（15）給出具體參數(shù)：
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由圖4可見：在80 ℃試驗環(huán)境中，試樣的腐蝕疲勞裂紋擴展速率（da/dN）總體接近ASME N-809公式所得腐蝕疲勞裂紋擴展速率參考曲線，但有一個數(shù)據(jù)點比較接近C-8410公式所得試樣在空氣中的疲勞裂紋擴展速率曲線，該數(shù)據(jù)點顯著低于ASME N-809曲線。在250 ℃環(huán)境中，316LN的腐蝕疲勞裂紋擴展速率值接近ASME N-809公式所得腐蝕疲勞擴展速率參考曲線并在其上方。而在320 ℃試驗環(huán)境中，試樣的腐蝕疲勞裂紋擴展速率位于ASME N-809參考曲線附近，其中一個數(shù)據(jù)點位于ASME N-809曲線的下方，其余點都在ASME N-809上方。所有溫度下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率除個別數(shù)據(jù)點外，都接近于ASME N-809腐蝕疲勞裂紋擴展速率參考曲線，顯著高于ASME C-8410曲線，這表明PWR一回路水對疲勞裂紋擴展速率的顯著加速作用。
采用式（14），根據(jù)圖5中試驗數(shù)據(jù)的各種組合得到相應(yīng)條件下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率的表觀活化能EAAE也列于圖中。預(yù)先假定了EAAE在80~320 ℃不隨溫度而變化，而實際情況可能有所不同。結(jié)果表明，在模擬壓水堆一回路水中，R=0.79、頻率f=0.01 Hz條件下，當(dāng)ΔK較小時316LN的腐蝕疲勞裂紋擴展速率表觀活化能較小，為（10.9±3.8）kJ/mol，說明腐蝕疲勞屬于熱激活過程，但溫度對腐蝕疲勞裂紋擴展的影響程度較為溫和。
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式中：v1和v2分別為試驗得到的溫度為T1（K）和T2（K）時的腐蝕疲勞裂紋擴展速率，R為理想氣體常數(shù)，8.31 kJ·mol-1·K-1。
圖 5 不同溫度模擬壓水堆一回路水中316LN不銹鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展速率
Figure 5. Corrosion fatigue crack growth rates for 316LN stainless steel in simulated PWR primary water at different temperatures
基于試驗所得腐蝕疲勞裂紋擴展速率，根據(jù)式（15）計算了環(huán)境對疲勞裂紋擴展的加速因子FEN，結(jié)果見圖6。
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式中：vwater-exp為試驗測得的模擬一回路水中的腐蝕疲勞裂紋擴展速率，vair-C8410為采用與試驗同樣的參數(shù)通過ASME C-8410公式（9）~（12）得到的空氣中疲勞裂紋擴展速率。所有條件下FEN均大于1，表明這些條件促進疲勞裂紋擴展：當(dāng)溫度為250 ℃和320 ℃時，FEN均高于15，表現(xiàn)出PWR一回路水在這兩個溫度下對疲勞裂紋擴展的強烈加速作用，80 ℃下FEN為1.77~15.4，表明PWR一回路水中疲勞擴展的加速作用比250 ℃和320 ℃時弱一些。
圖 6 不同溫度模擬壓水堆一回路水試樣裂紋擴展速率的環(huán)境加速因子FEN
Figure 6. Environmental enhancement factor (FEN) for corrosion fatigue crack growth rate of samples at different temperatures
由圖6可見，在模擬PWR一回路水中，316LN的腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨溫度升高總體表現(xiàn)為增大趨勢，表觀活化能為（10.9±3.8）kJ/mol，該結(jié)果與CIPOLLA等[11]報道的平均活化能16.74 kJ/mol有一定的關(guān)聯(lián)性。溫度幾乎影響所有的物理和化學(xué)過程，對環(huán)境促進開裂也有顯著影響。已有報道鎳基合金在模擬PWR一回路水中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率隨溫度升高而增大表現(xiàn)出熱激活特征，一般認(rèn)為活化能約為130 kJ/mol[22]。不銹鋼在含氫水和含氧高溫水中應(yīng)力腐蝕裂紋擴展的表觀熱激活能顯著高于本項工作的結(jié)果。腐蝕疲勞試驗時交變載荷對裂尖氧化反應(yīng)的作用、對裂尖氧化膜的作用形成的綜合效應(yīng)會導(dǎo)致316LN不銹鋼腐蝕疲勞裂紋擴展，表現(xiàn)為熱激活特征以及較低的溫度敏感性。當(dāng)腐蝕疲勞過程中力學(xué)因素驅(qū)動力起主導(dǎo)作用時，裂紋擴展的表觀活化能相對較?。欢?dāng)裂紋尖端氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用時，裂紋擴展的表觀活化能較大。同時，水質(zhì)條件對應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞擴展的溫度相關(guān)性也有一定的作用，試驗評價方法的不同也可能導(dǎo)致裂紋發(fā)生和發(fā)展的控制因素發(fā)生變化，從而表現(xiàn)出各種溫度相關(guān)性以及表觀活化能。
3. 結(jié)論
（1）試樣的腐蝕疲勞裂紋擴展速率總體與ASME N-809中不銹鋼在壓水堆一回路水中的參考曲線接近，顯著大于ASME C-8410標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼在空氣中的疲勞裂紋擴展速率，表現(xiàn)出較為顯著的環(huán)境加速疲勞擴展效應(yīng)。
（2）316LN腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨溫度的升高而增加，表觀活化能為（10.9±3.8）kJ/mol，表現(xiàn)出疲勞裂紋擴展的熱激活特征以及較為溫和的溫度效應(yīng)。
（3）隨溫度升高，斷口上腐蝕疲勞區(qū)域表面氧化物顆粒增多，氧化更顯著且對疲勞擴展的加速作用更大。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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