主管道用316LN疲劳裂纹扩展性能研究_梁铁波.pdf

Science&Technology Vision科技视界DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.19主管道用 316LN 疲劳裂纹扩展性能研究梁铁波李毅赵京廖先伟姜超（核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610000）【摘要】金 属 材 料 裂 纹 在 交 变 应 力 作 用 下 呈 现 出 一 定 的 扩 展 规 律，文 章 以316LN母 材 为 研 究 对 象，以 获 得316LN母 疲 劳 裂 纹 扩 展 速 率 为 目 标，在 空 气 介 质 环 境 下 开 展 了316LN母 材 在 室 温 和 高 温 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 性 能 研 究，可 为316LN材 料 的 寿 命预 测 提供 重要数据支 撑。【关键词】316LN；疲 劳裂 纹扩 展0引言核电一回路主管道的功能是连接反应堆压力容器、蒸汽发生器和反应堆冷却剂主泵形成封闭环路，提供反应堆冷却循环流道，把堆芯的热量经蒸汽发生器传给二回路，是一回路压力边界的重要组成部分和关键设备，属于核一级设备，具有直径大、管壁厚、形状复杂、技术难度大的特点。为了提高主管道强度及耐腐蚀性能，目前三代核电对一回路系统的主要承压设备提出了 60 年设计寿命的要求，期间需要承受压力、温度引起的载荷，及瞬态工况、机械振动、地震等施加的载荷，以及一回路冷却剂介质的腐蚀作用，这些均为导致主管道长期服役期间内性能衰退的因素。一般工程构件都是在多次交变应力（疲劳应力）下工作的，根据研究发现，反应堆及一回路系统的管道材料，即便是在远低于材料屈服应力的交变应力作用下，裂纹也会随着时间的累积不断扩展。由原始裂纹 a0 逐渐长大到临界尺寸 ac 而导致断裂。因此反应堆及一回路系统管道在进行安全设计和寿命估算时，考虑裂纹在交变应力作用下的扩展特性或规律，就显得十分重要。根据前人研究，反应堆及一回路系统的管道材料在进行安全设计和寿命估算时，交变应力作用下的扩展特性规律一般用 Paris1公式描述的：da/dN=C0（KI）n（1）式中，da/dN 是指在裂纹扩展三个阶段中的第二阶段中，应力每循环一次的裂纹扩展量（m/Cycle）；KI是施加的应力强度因子范围；C0、n 是与试验条件（环境温度、频率、载荷比等）和材料特性有关的材料常数。奥氏体不锈钢由于其优良的耐蚀性，良好的力学性能以及较好的机加工、焊接等特性，在核电领域得到广泛的应用。有研究显示，核电站一回路含缺陷管道上的裂纹在动态载荷的作用下，裂纹尖端的力学参量将有明显的升高，疲劳裂纹扩展速率也相应地提高2-3。在实际工作条件下，准确地确定疲劳裂纹的扩展速率具有重要意义4。国产 316LN 作为目前替代 321 管材的主管道材料之一，该材料在常规力学性能、耐均匀腐蚀性能、耐点腐蚀性能及焊接性能等方面均有一定的改善和提升5。本文选取国产 316LN 主管道材料作为研究对象，对其进行疲劳裂纹扩展性能研究，分析国产 316LN 材料的疲劳行为、机理，获得材料的疲劳裂纹扩展特性，可解决工程设计过程中主管道力学分析所需的基础性数据，也可为主管道缺陷分析提供理论基础。1试验材料及方法1.1材料试验用材料为国产 316LN，采用电弧炉+AOD 精炼炉+电渣重熔（EAF+AOD+ESR）的冶炼方式，固溶热处作 者简 介：梁 铁波，高级工 程 师，硕 士 学 位，研 究 方向 为 核 动 力 装 置设 计。核电之窗071科技视界Science&Technology Vision理温度为 105515，材料的化学成分见表 1 所示，力学性能见表 2 所示。试验用样品采用锻造成型，锻造比为 6.1，材料的晶粒度为 5 级，A 类、B 类、C 类、D 类及 DS 类，非金属夹杂物均小于等于 0.5 级，相含量约 5%。表1材料化学成分表2力学性能（固溶热处理后）元素Min（%质量百分比）Max（%质量百分比）C0.035Si1.00Mn2.00P0.030S0.015Cr17.0018.00Ni11.5012.50Mo2.252.75N0.080Cu1.00B0.0018Co0.05试验项目试验温度力学性能规定值 实测值拉伸室温抗拉强度 Rm/MPa510607规定非比例延伸强度Rp0.2/MPa210298断后伸长率 A/%4053断面收缩率 Z/%5576350抗拉强度 Rm/MPa407489规定非比例延伸强度Rp0.2/MPa147177断后伸长率 A/%3541断面收缩率 Z/%5073冲击室温冲击吸收能量 KV2/J1123001.2试验方法疲劳裂纹扩展试验试样采用 ASTM E647 中 1TCT 试样，尺寸满足 ASTM E647 标准的要求，试样取样方向为管子的径向-轴向，裂纹扩展方向为径向，在相隔 180方向取 2 个试样作为一组平行试样，疲劳裂纹扩展试样的结构如下图所示。图1疲劳裂纹扩展试样母材疲劳裂纹扩展试样从管材内壁 1/4 厚度处取样。试样的取向均为试件径向-轴向，其中试样的裂纹扩展方向为径向。2试验结果及评价主管道所受的载荷中存在多次交变应力（疲劳应力），根据材料的失效理论即是在低于材料屈服应力的交变应力作用下，原始裂纹 a0会逐渐扩展，逐渐长大到临界尺寸 ac而导致断裂5。因此主管道在进行力学分析及核电之窗072Science&Technology Vision科技视界寿命估算时，必须考虑裂纹在交变应力作用下的扩展特征（规律），这一规律是用 Paris1公式描述。本试验所采用的的应力比 R（KImin/KImax）为 0.1。依据 ASME BPV3-C-8410 奥氏体钢部分的要求得到奥氏体不锈钢在室温 25及 330下的基准曲线分别为：25：da/dN=2.451310-12（K）3.3（2）330：da/dN=4.468710-12（K）3.3（3）为便于数据对比，取疲劳裂纹扩展速率试验结果中各曲线上 KI=15MPa m0.5以及 KI=30MPa m0.5的数据，得到其对应的 da/dN 并与基准曲线数据进行对比，试验结果详见表 3。表3疲劳裂纹扩展速率试验结果温度试样编号拟合方程公式da/dN10-9m/cyc注 1da/dN10-9m/cyc注 2单个值平均值单个值平均值室温 251da/dN=1.770510-13（K）4.00639.16.67146.5114.62da/dN=1.452510-14（K）4.75705.7154.43da/dN=1.877210-13（K）3.78475.373.14da/dN=3.210010-13（K）3.66876.684.3标准方程da/dN=2.451310-12（K）3.318.6/183.6/3301da/dN=3.037410-14（K）4.64248.88.03218.7162.92da/dN=2.563910-14（K）4.71349.0235.13da/dN=4.982010-13（K）3.61628.9109.44da/dN=9.377810-14（K）4.04485.488.5标准方程da/dN=4.468710-12（K）3.334/334.7/注1：K=15MPam0.5；注2：K=30MPam0.5由表 3 可以看出材料在室温 25和 330条件下在应力强度因子变化范围 KI在 1530MPa m0.5下的实测曲线均在基准曲线的下方，即材料的裂纹扩展速率 da/dN 均优于 ASME 在役检查部分的要求。4结语针对 316LN 母材，分别在空气和纯水环境中开展了室温和高温条件下的疲劳裂纹扩展性能试验，通过对试验数据进行分析，得到以下结论：（1）高温空气环境能够显著促进疲劳裂纹的扩展，并且在裂纹扩展速率较小阶段更加明显；（2）国产 316LN 母材裂纹扩展速率要比标准规定的小，说明其具有良好的抗疲劳性能，在工程分析中采用通用的数据，分析结果趋于保守；（3）所获得的试验数据可为 316LN 的裂纹扩散预测、寿命评估等工作提供重要的数据支撑。【参考文献】1Paris P.Erdogan F.A Critical Analysis of Crack Propagation LawsJ.Journal of Basic Engineering，1963，85（4）.2曹明.流固耦合下压力管道动态断裂数值分析D.浙江大学，2006.3王耀宇，薛河，崔英浩.核电含缺陷管道共振下疲劳裂纹扩展速率分析J.中国科技论文，2017，12（10）：1132-1135.4李明，夏英杰，付海峰，等.应力转向条件下水力压裂的三维数值模拟分析J.中国科技论文，2016，11（3）：286-291.5罗毅军.反应堆冷却剂主管道316LN新型管材替代321管材的可行性研究J.核动力工程，2013，34（5）：80-83.核电之窗073