王儀美，張 飛，唐 毅，陳銀強(qiáng)，趙傳禮，桂 春

（1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）規(guī)范給出的疲勞設(shè)計(jì)曲線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核電站壓力邊界材料的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，該疲勞設(shè)計(jì)曲線是對(duì)材料在室溫空氣中獲得的低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，沒(méi)有充分考慮壓水堆（PWR）服役環(huán)境的影響［1］。研究表明服役環(huán)境會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能產(chǎn)生較大影響，因此美國(guó)核管理委員會(huì)（NRC）于2007年頒布了RG 1.207導(dǎo)則［2］，要求新建核電站必須充分考慮PWR環(huán)境對(duì)材料疲勞性能（即環(huán)境促進(jìn)疲勞（EAF））的影響，并推薦采用美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）NUREG/CR 6909文件中建立的模型所給出的環(huán)境疲勞校正因子Fen［3］。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了結(jié)構(gòu)材料在模擬PWR核電站一回路水環(huán)境中疲勞性能的研究，研究對(duì)象為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼及鎳基合金母材［2-4］。NUREG/CR 6909中建立的Fen模型可以較準(zhǔn)確地評(píng)估母材的疲勞壽命，但Fen對(duì)焊縫金屬疲勞壽命評(píng)估的適用性未知。因此，本文以核電用接管安全端308L異種焊縫金屬材料為研究對(duì)象，進(jìn)行不同應(yīng)變幅值條件下固定應(yīng)變率的低周疲勞（LCF）試驗(yàn)，將獲得的應(yīng)變-壽命曲線與ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行對(duì)比，并評(píng)價(jià)Fen對(duì)于評(píng)估不銹鋼焊縫金屬疲勞壽命的適用性，并且利用掃描電鏡（SEM）表征疲勞斷口，分析308L焊縫金屬的失效機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為某公司制造的低合金鋼16MND5和Z2CND18-12控氮不銹鋼平板對(duì)接焊件的308L不銹鋼焊縫區(qū)域，該焊接件是在16MND5低合金鋼側(cè)堆焊309L后、在16MND5和Z2CND18-12平板之間堆焊308L，試樣沿308L焊縫區(qū)域的長(zhǎng)度方向取材［5］。環(huán)境疲勞試樣尺寸（如圖1所示）滿足ASTM E606標(biāo)準(zhǔn)要求［6］。

圖1 環(huán)境疲勞試樣尺寸

1.2 疲勞試驗(yàn)裝置

環(huán)境疲勞試驗(yàn)在如圖2所示的高溫高壓水環(huán)境疲勞試驗(yàn)裝置上完成。該裝置由疲勞試驗(yàn)機(jī)主機(jī)、高壓釜、循環(huán)水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可連續(xù)控制水環(huán)境的溫度、壓力、溶解氧等化學(xué)參數(shù)和載荷參數(shù)。試驗(yàn)前疲勞試驗(yàn)機(jī)主機(jī)在室溫空氣環(huán)境下進(jìn)行對(duì)中性檢查，在高溫空氣環(huán)境中進(jìn)行試樣標(biāo)距段應(yīng)變與試驗(yàn)機(jī)位移的標(biāo)定，以確保試驗(yàn)控制過(guò)程的準(zhǔn)確性。

圖2 高溫高壓水環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用位移控制模式，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)位移與試樣標(biāo)距段的應(yīng)變標(biāo)定結(jié)果確保加載到試樣上的應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)應(yīng)變幅值，加載波形為三角波，應(yīng)變比為R=-1，加載應(yīng)變率為0.04%/s。選取的應(yīng)變幅值范圍為0.3% ～1.0%，為了降低試驗(yàn)誤差，在每級(jí)應(yīng)變幅水平下測(cè)試了最少3個(gè)疲勞試樣。高溫高壓水環(huán)境溫度為300℃，壓力為8 MPa，溶解氧不大于5×10-9。為了對(duì)比高溫高壓水環(huán)境對(duì)308L焊縫金屬疲勞性能的影響，在相同應(yīng)變幅值、應(yīng)變率及溫度下進(jìn)行空氣環(huán)境中的疲勞試驗(yàn)。材料的疲勞壽命（N25）定義為峰值拉應(yīng)力下降至最大峰值拉應(yīng)力的75%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次。

疲勞試驗(yàn)完成后，選擇典型樣品在試驗(yàn)機(jī)上拉斷，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫空氣疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

圖3示出該材料在300℃空氣環(huán)境中的疲勞壽命數(shù)據(jù)，分別與奧氏體不銹鋼的ASME平均曲線、ASME設(shè)計(jì)曲線及空氣環(huán)境中的ANL模型曲線對(duì)比，其中ASME設(shè)計(jì)曲線是分別將ASME平均曲線中的應(yīng)變幅值除以2，循環(huán)壽命除以20，取兩者最小值獲得的包絡(luò)曲線。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)核級(jí)308L焊縫金屬在不同應(yīng)變幅值下疲勞壽命低于ASME平均曲線，但高于ASME設(shè)計(jì)曲線，隨著應(yīng)變幅值降低，疲勞壽命接近ASME平均曲線。

圖3 308L焊縫金屬在空氣環(huán)境中的疲勞-壽命曲線

在較低應(yīng)變幅值條件（小于0.8%）下，308L焊縫金屬的疲勞壽命與空氣環(huán)境中的ANL模型一致。因此，建議在對(duì)國(guó)產(chǎn)接管安全端部件進(jìn)行工程疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，參考ANL模型給出的空氣環(huán)境疲勞設(shè)計(jì)曲線。

2.2 高溫高壓水環(huán)境中的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

利用最小二乘法對(duì)308L在300℃高溫高壓水環(huán)境中不同應(yīng)變幅值條件下的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變疲勞壽命曲線，如圖4所示。

圖4 308L焊縫金屬在高溫高壓水環(huán)境中的疲勞-壽命曲線

擬合方程表達(dá)式為：

式中 εa——應(yīng)變幅值；

N25——材料的疲勞壽命。

從圖4中可以看出，308L不銹鋼焊縫高溫高壓水環(huán)境的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在ASME平均曲線的下方，位于ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線的上方，且相對(duì)于空氣中疲勞壽命，低應(yīng)變幅條件下數(shù)據(jù)點(diǎn)分布距離ASME平均曲線更遠(yuǎn)，壽命下降得更明顯，即受EAF影響更大［7］。

如果采用ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線同樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)處理方式（即考慮數(shù)據(jù)分散性、試樣尺寸和表面粗糙度的影響），通過(guò)對(duì)室溫空氣條件光滑試樣低周疲勞壽命數(shù)據(jù)擬合得到的平均曲線進(jìn)行保守處理，分別將平均曲線的應(yīng)力幅值除以2，循環(huán)次數(shù)除以20，取兩者的最小值形成的下包絡(luò)設(shè)計(jì)曲線來(lái)處理本試驗(yàn)所得的高溫高壓水疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，結(jié)果見圖4，可以看出，ASME設(shè)計(jì)曲線無(wú)法包絡(luò)試驗(yàn)處理后的曲線。如果采用2/12處理方法，也無(wú)法被ASME設(shè)計(jì)曲線包絡(luò)。因此，相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)直接采用原ASME設(shè)計(jì)曲線是不合適的，應(yīng)根據(jù)核電廠設(shè)計(jì)運(yùn)行條件對(duì)ASME設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行必要的修正或采取相應(yīng)的工程措施。

2.3 環(huán)境疲勞校正因子Fen適用性分析

環(huán)境疲勞校正因子Fen模型被推薦用于評(píng)價(jià)EAF對(duì)核電用結(jié)構(gòu)材料疲勞壽命的影響。Fen是材料空氣環(huán)境中疲勞壽命（Nair）與高溫高壓水環(huán)境中疲勞壽命（Nwater）的比值，即：

308L不銹鋼焊縫金屬屬于鑄造奧氏體不銹鋼，根據(jù)NUREG/CR 6909（2014版），奧氏體不銹鋼環(huán)境疲勞校正因子Fen表達(dá)式為：

式中 T*——溫度影響因子；

O*——溶解氧影響因子。

上述參數(shù)表達(dá)式分別為：

式中 T——溫度；

圖5 308L焊縫金屬疲勞壽命與考慮EAF效應(yīng)的疲勞設(shè)計(jì)曲線對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)條件，計(jì)算得到Fen=3.6。利用Fen將ANL模型推薦的不銹鋼空氣環(huán)境中疲勞設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行處理，得到考慮高溫高壓水環(huán)境影響的疲勞設(shè)計(jì)曲線，將308L不銹鋼焊縫高溫高壓水環(huán)境的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與新的考慮Fen影響的疲勞設(shè)計(jì)曲線對(duì)比，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線，考慮Fen的疲勞設(shè)計(jì)曲線基本包絡(luò)308L不銹鋼焊縫在高溫高壓水中的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即能預(yù)測(cè)該材料的EAF效應(yīng)，因此適用于評(píng)價(jià)308L焊縫金屬考慮EAF的環(huán)境疲勞壽命［8］。

2.4 斷口SEM分析

圖6示出在溫度300℃、溶解氧5×10-9、應(yīng)變率0.04%/s和應(yīng)變幅值0.4%條件下斷裂的疲勞試樣的SEM斷口形貌。

圖6 308L焊縫金屬疲勞斷口SEM形貌

從斷口（見圖6（a））可以看到，308L不銹鋼焊縫金屬腐蝕疲勞開裂為多裂紋源并行萌生并進(jìn)一步擴(kuò)展直至失效的過(guò)程。疲勞源區(qū)呈現(xiàn)典型的疲勞裂紋扇形解理花樣（見圖6（b）），疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在典型的疲勞輝紋特征（見圖6（c）），并且在疲勞源區(qū)以及裂紋擴(kuò)展區(qū)均存在很多尖晶石氧化物顆粒，在腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，可以清晰地觀察到很多近圓形夾雜物，并且有很多尖晶石氧化物顆粒環(huán)繞分布在這些夾雜物外表面，且這些尖晶石顆粒較基體區(qū)域尖晶石氧化物顆粒大（如圖6（d）所示）。同時(shí)，在這些夾雜物附近呈現(xiàn)空洞，與基體之間存在空隙，說(shuō)明在裂紋擴(kuò)展過(guò)程夾雜物并不能阻礙裂紋前進(jìn)，相反會(huì)在擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生機(jī)械脫落或者加速基體周圍溶解/氧化過(guò)程［9-13］。

3 結(jié)論

（1）與空氣環(huán)境的疲勞壽命相比，308L焊縫金屬在高溫高壓水中表現(xiàn)出EAF效應(yīng)，且在低應(yīng)變幅值條件下，EAF效應(yīng)更為明顯；

（2）將試驗(yàn)獲得的空氣環(huán)境中的疲勞壽命數(shù)據(jù)與奧氏體不銹鋼的ASME疲勞平均曲線和ANL模型設(shè)計(jì)曲線對(duì)比，建議國(guó)產(chǎn)接管安全端部件疲勞設(shè)計(jì)時(shí)參考ANL模型；

（3）Fen模型建議的鑄造奧氏體不銹鋼疲勞設(shè)計(jì)曲線與ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線相比，能更好地評(píng)價(jià)接管安全端材料的環(huán)境疲勞壽命；

（4）308L不銹鋼焊縫金屬腐蝕疲勞開裂為多裂紋源萌生，且本身存在的顆粒夾雜物在擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生機(jī)械脫落，加速周圍基體溶解/氧化過(guò)程，造成其環(huán)境疲勞壽命的降低。