分享：不同溫度下316LN不銹鋼的低頻腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展行為

壓水堆核電站核島一回路主管道（以下簡(jiǎn)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(yùn)行，內(nèi)壁接觸一回路高溫水。反應(yīng)堆啟動(dòng)、停堆和功率變化會(huì)引起管道的熱應(yīng)力、壓力瞬態(tài)波動(dòng)以及流致振動(dòng)，形成疲勞工況以及腐蝕疲勞工況，需要對(duì)主管道的相關(guān)服役性能進(jìn)行測(cè)試以及安全評(píng)價(jià)[1-4]。我國(guó)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(jiǎn)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(kuò)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(shí)間（tR）、應(yīng)力強(qiáng)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(shí)與數(shù)據(jù)擬合較好。TICE等[7]測(cè)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(shí)得到的CFCPR高于250 ℃時(shí)的，這種效應(yīng)似乎在較短的上升時(shí)間（較低的頻率）內(nèi)最為顯著；200 ℃時(shí)的CFCPR明顯低于較高溫度時(shí)，而150 ℃時(shí)的環(huán)境因素影響進(jìn)一步降低。SEIFERT等[10]測(cè)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(duì)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(shì)。ZHANG等[14]測(cè)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(guò)220 ℃以及載荷上升時(shí)間超過(guò)30 s時(shí)，升高溫度對(duì)CFCPR的加速作用逐漸明顯。溫度是影響所有物理和化學(xué)過(guò)程的一般參數(shù)，可以通過(guò)影響力學(xué)、材料、環(huán)境性能及其協(xié)同作用來(lái)影響開裂擴(kuò)展速率，如腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率[4-13]、應(yīng)力腐蝕開裂擴(kuò)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(cè)試了80，250，320 ℃三個(gè)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(qiáng)度因子幅值作用下的CFCPR數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了溫度對(duì)主管道材料316LN不銹鋼腐蝕疲勞擴(kuò)展的影響規(guī)律，以期為相關(guān)條件下的構(gòu)件可靠性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。 

1.   試驗(yàn)

試驗(yàn)材料取自國(guó)產(chǎn)三代壓水堆核電站主管道用316LN不銹鋼（以下簡(jiǎn)稱316LN）。腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)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(kuò)展速率試驗(yàn)方法》中推薦的試樣尺寸加工。試驗(yàn)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(zhǎng)度估算應(yīng)力強(qiáng)度因子（因?yàn)樵嚇雍穸确较蛏狭鸭y長(zhǎng)度可能有差別）。腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在配備動(dòng)態(tài)水循環(huán)系統(tǒng)和疲勞拉伸機(jī)的高溫高壓釜中進(jìn)行。試驗(yàn)前，采用SiC砂紙逐級(jí)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。 

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

試驗(yàn)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(yàn)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(gè)數(shù)值。所有試樣均在對(duì)應(yīng)的水化學(xué)條件及溫度下進(jìn)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(kuò)展試驗(yàn)。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(kuò)展試驗(yàn)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(guò)使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)疲勞打開后的斷口形貌進(jìn)行觀察，測(cè)量并計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度平均值。有些試樣的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域不規(guī)則，有些試樣的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域易識(shí)別，因此在計(jì)算腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展量時(shí)一般通過(guò)觀察試樣斷口上若干腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展清楚可辨的區(qū)域，測(cè)量這些區(qū)域中不同部位腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展量并取平均值，最后取這些裂紋擴(kuò)展量平均值中的最大值用于計(jì)算腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率。根據(jù)預(yù)制裂紋平均長(zhǎng)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(jì)算公式得出應(yīng)力強(qiáng)度因子K和幅值ΔK，根據(jù)腐蝕疲勞裂紋平均擴(kuò)展量Δa除以疲勞周次N得出da/dN，見式（1）。 

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(guò)腐蝕疲勞試驗(yàn)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(kuò)展區(qū)域由于氧化程度更弱，顏色相對(duì)更淺，同時(shí)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(shí)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展區(qū)域。由于試樣在80 ℃環(huán)境中的氧化程度較其他兩個(gè)溫度下的更弱，斷口疲勞打開區(qū)域與腐蝕疲勞試驗(yàn)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(shí)該區(qū)域存在沿裂紋擴(kuò)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(kuò)展試驗(yàn)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(guò)腐蝕疲勞試驗(yàn)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(kuò)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(tái)階及河流狀特征，同時(shí)有氧化物顆粒沿著疲勞臺(tái)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(duì)更稀疏，同時(shí)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(shí)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(kuò)展區(qū)域，部分區(qū)域存在疲勞臺(tái)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(kuò)展尖端區(qū)域也能發(fā)現(xiàn)一條相對(duì)較窄的特征區(qū)域，該區(qū)域形貌以沿裂紋擴(kuò)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(kuò)展試驗(yàn)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(kuò)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(kuò)展速率曲線，以及室溫和測(cè)試溫度下空氣中奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)。其中，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算方法見式（2）~（8）。 

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(kuò)展速率，mm/次；ΔK為應(yīng)力強(qiáng)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(shí)間，s，本工作中頻率0.01 Hz對(duì)應(yīng)周期為100 s，由于采用對(duì)稱的三角波，載荷上升時(shí)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(jì)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(zhǎng)度隨時(shí)間變化的裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt表示，見公式（9）。 

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(kuò)展速率實(shí)測(cè)值及根據(jù)ASME N-809和ASME C-8410公式的計(jì)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(jiǎn)稱C-8410）給出了奧氏體不銹鋼在空氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參考曲線與ΔK、溫度、R的相關(guān)性，其裂紋擴(kuò)展速率公式參照式（2）、由式（10）~（15）給出具體參數(shù)： 

由圖4可見：在80 ℃試驗(yàn)環(huán)境中，試樣的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）總體接近ASME N-809公式所得腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率參考曲線，但有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)比較接近C-8410公式所得試樣在空氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，該數(shù)據(jù)點(diǎn)顯著低于ASME N-809曲線。在250 ℃環(huán)境中，316LN的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率值接近ASME N-809公式所得腐蝕疲勞擴(kuò)展速率參考曲線并在其上方。而在320 ℃試驗(yàn)環(huán)境中，試樣的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率位于ASME N-809參考曲線附近，其中一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于ASME N-809曲線的下方，其余點(diǎn)都在ASME N-809上方。所有溫度下的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，都接近于ASME N-809腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的顯著加速作用。 

采用式（14），根據(jù)圖5中試驗(yàn)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(kuò)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(shí)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(shí)316LN的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率表觀活化能較小，為（10.9±3.8）kJ/mol，說(shuō)明腐蝕疲勞屬于熱激活過(guò)程，但溫度對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的影響程度較為溫和。 

式中：v1和v2分別為試驗(yàn)得到的溫度為T1（K）和T2（K）時(shí)的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(yàn)所得腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率，根據(jù)式（15）計(jì)算了環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的加速因子FEN，結(jié)果見圖6。 

式中：vwater-exp為試驗(yàn)測(cè)得的模擬一回路水中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率，vair-C8410為采用與試驗(yàn)同樣的參數(shù)通過(guò)ASME C-8410公式（9）~（12）得到的空氣中疲勞裂紋擴(kuò)展速率。所有條件下FEN均大于1，表明這些條件促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展：當(dāng)溫度為250 ℃和320 ℃時(shí)，FEN均高于15，表現(xiàn)出PWR一回路水在這兩個(gè)溫度下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的強(qiáng)烈加速作用，80 ℃下FEN為1.77~15.4，表明PWR一回路水中疲勞擴(kuò)展的加速作用比250 ℃和320 ℃時(shí)弱一些。 

圖  6  不同溫度模擬壓水堆一回路水試樣裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率隨溫度升高總體表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，表觀活化能為（10.9±3.8）kJ/mol，該結(jié)果與CIPOLLA等[11]報(bào)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(guò)程，對(duì)環(huán)境促進(jìn)開裂也有顯著影響。已有報(bào)道鎳基合金在模擬PWR一回路水中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)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(kuò)展的表觀熱激活能顯著高于本項(xiàng)工作的結(jié)果。腐蝕疲勞試驗(yàn)時(shí)交變載荷對(duì)裂尖氧化反應(yīng)的作用、對(duì)裂尖氧化膜的作用形成的綜合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致316LN不銹鋼腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(guò)程中力學(xué)因素驅(qū)動(dòng)力起主導(dǎo)作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展的表觀活化能相對(duì)較小；而當(dāng)裂紋尖端氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展的表觀活化能較大。同時(shí)，水質(zhì)條件對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞擴(kuò)展的溫度相關(guān)性也有一定的作用，試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(kuò)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(kuò)展速率，表現(xiàn)出較為顯著的環(huán)境加速疲勞擴(kuò)展效應(yīng)。 

（2）316LN腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)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(duì)疲勞擴(kuò)展的加速作用更大。

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