汪家梅,蘇豪展,張樂福,陳 凱,杜東海,熊 團(tuán),王 慧,沈康華,吳麗華

(1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240; 2.浙江國檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，海鹽 314300)

碳鋼和低合金鋼(LAS)由于成本低，且具有很好的力學(xué)性能、焊接性能和抗高溫應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于制作反應(yīng)堆壓力容器一、二回路管道等核電站壓力邊界構(gòu)件[1-3]。因此，這些碳鋼和低合金鋼在壓力邊界高溫下的結(jié)構(gòu)完整性、運(yùn)行可靠性對(duì)核電站的安全運(yùn)營及壽命評(píng)估至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試樣

試驗(yàn)材料為商用核級(jí)508Ⅲ低合金鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.15% Cr，0.79% Ni，0.19% C，1.46% Mn，0.78% Mo，0.001 8% S，0.24% Si，余量Fe。508Ⅲ低合金鋼的顯微組織主要由鐵素體和晶間碳化物組成，如圖1所示。將試驗(yàn)材料制成標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)試樣，詳細(xì)尺寸見圖2，為保證裂紋擴(kuò)展平直穩(wěn)定，在CT試樣斷裂面兩側(cè)加工出深度為5%的引導(dǎo)槽，盡量減小由于裂紋偏離而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

圖1 核級(jí)508Ⅲ低合金鋼的顯微組織

(a) 三維圖 (b) 主視圖

1.2 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)裝置由高溫高壓反應(yīng)釜、拉伸機(jī)、控制系統(tǒng)、水化學(xué)回路和反應(yīng)釜內(nèi)電化學(xué)回路組成，詳見文獻(xiàn)[12]。試驗(yàn)過程中，涉及的載荷、頻率、載荷比、應(yīng)力強(qiáng)度因子等力學(xué)參數(shù)均由相應(yīng)的控制軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄。裂紋擴(kuò)展長度采用DCPD技術(shù)在線連續(xù)測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)1 μm，直流電的供給和電壓降的測(cè)量均采用點(diǎn)焊鉑絲的方式。通過不銹鋼貫穿件中的高溫陶瓷和熱縮聚四氟乙烯管將信號(hào)線與釜體絕緣，試樣、加載銷釘、夾具與釜體之間采用高溫陶瓷管和高溫陶瓷墊片進(jìn)行電絕緣。具體的信號(hào)測(cè)量原理、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)注意事項(xiàng)參見文獻(xiàn)[12-15]。內(nèi)置式Cu/Cu2O/ZrO2參比電極[16-17]用于測(cè)量試樣的自腐蝕電位，所有電位最終均轉(zhuǎn)換為相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的電位。

在反應(yīng)釜中用高溫高壓硼鋰水模擬壓水堆(PWR)一回路水環(huán)境，試驗(yàn)條件如表1所示。通過動(dòng)態(tài)循環(huán)水化學(xué)回路[18]控制并監(jiān)測(cè)釜內(nèi)水化學(xué)環(huán)境。釜內(nèi)的水更換速率為2次/h。通過持續(xù)鼓氣的方式向釜內(nèi)通入氧氣和氫氣，并由氣體質(zhì)量流量計(jì)控制其流量，從而控制溶液中溶解氧(DO)含量和溶解氫(DH)含量。釜內(nèi)溫度為(300.0±0.5)℃，壓力為(15.5±0.2)MPa。

表1 裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前，對(duì)樹脂床進(jìn)行了硼/鋰化使其達(dá)到目標(biāo)硼/鋰濃度，試驗(yàn)過程中通過蠕動(dòng)泵加入適量硼酸調(diào)節(jié)溶液電導(dǎo)率，維持進(jìn)出口電導(dǎo)率為(22.3±2)μS/cm。

試驗(yàn)通常分為4個(gè)階段：空氣中預(yù)制疲勞裂紋階段，水中疲勞擴(kuò)展向恒載荷SCC過渡階段，恒載荷SCC階段和試驗(yàn)后疲勞拉斷階段[12-15,19]。首先，在空氣中采用頻率為1 Hz, 應(yīng)力比R分別為0.3,0.5,0.7的正弦波對(duì)試樣加載，預(yù)制長約1 mm的尖銳裂紋。之后，在模擬PWR一回路水環(huán)境的反應(yīng)釜中采用梯形波加載，根據(jù)試驗(yàn)材料每個(gè)階段的裂紋擴(kuò)展速率，依次降低加載頻率至0.001 Hz，并逐漸延長最大載荷的維持時(shí)間至9 000 s。完成裂紋擴(kuò)展的過渡后，試驗(yàn)進(jìn)入恒載荷加載的SCC測(cè)量階段，在恒載荷加載過程中可以在線更改加載方式及溫度、DO含量、雜質(zhì)離子(Cl-)含量等水化學(xué)條件。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，沿著厚度方向線切割為2份，一份打磨拋光后用于觀察裂紋擴(kuò)展路徑，另一份在室溫疲勞拉斷，然后觀察其斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋擴(kuò)展曲線

圖3為周期性循環(huán)加載下508Ⅲ01試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴(kuò)展曲線。由圖3可見，在含氧水環(huán)境、周期性循環(huán)加載方式下，508Ⅲ01試樣的裂紋擴(kuò)展速率較高，在最高載荷維持9 000 s時(shí)仍能保持在2.4×10-7mm/s，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定階段后，甚至出現(xiàn)了急劇增加(1.9×10-5mm/s)的現(xiàn)象即“Burst”現(xiàn)象?？梢?，在含氧水中，一旦存在動(dòng)態(tài)疲勞載荷，508Ⅲ低合金鋼將具有較高的SCC敏感性，容易導(dǎo)致該鋼部件發(fā)生突然快速開裂失效事故。

圖3 周期性循環(huán)加載下508Ⅲ01試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴(kuò)展曲線

由于508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的應(yīng)力腐蝕開裂持續(xù)時(shí)間較長，且在試驗(yàn)過程中各參數(shù)發(fā)生多次變化，將其裂紋擴(kuò)展曲線分為多個(gè)階段，如圖4～7所示，并對(duì)整個(gè)過程中的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行匯總，見表2。表中的時(shí)間如500 s/0 s/50 s分別表示梯形波加載上升時(shí)間/最高載荷維持時(shí)間/卸載時(shí)間。

表2 508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中裂紋擴(kuò)展速率匯總

圖4 周期性循環(huán)加載下508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴(kuò)展曲線和自腐蝕電位

圖4為周期性循環(huán)加載下508Ⅲ02試樣在模擬PWR一回路水中的裂紋擴(kuò)展曲線和自腐蝕電位。由圖4可見，在含氫(1.58 mg/L)水環(huán)境中、周期性循環(huán)加載方式下，508Ⅲ02試樣的裂紋擴(kuò)展速率較低，應(yīng)力比為0.7時(shí)，降低加載頻率至0.001 Hz(維持0 s)，裂紋擴(kuò)展速率降低至1.0×10-9mm/s，裂紋幾乎停止擴(kuò)展；應(yīng)力比降至0.5，再次過渡激活裂紋，當(dāng)最高載荷維持時(shí)間延長至3 000 s時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率再次降低至1.9×10-9mm/s?？梢姡?08Ⅲ低合金鋼在含氫水中，加載頻率降低至0.001 Hz以下，將顯著降低其SCC敏感性。

(a) DO含量影響 (b) 應(yīng)力強(qiáng)度因子影響

圖6 恒載荷加載下508Ⅲ02試樣在含氧含氯模擬PWR一回路水中裂紋擴(kuò)展曲線和自腐蝕電位

圖7 恒載荷加載下508Ⅲ02試樣在含氧和含氫模擬PWR一回路水中裂紋擴(kuò)展曲線和自腐蝕電位

2.2 裂紋擴(kuò)展路徑及斷口微觀分析

試驗(yàn)結(jié)束后，使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口形貌進(jìn)行微觀分析，結(jié)果如圖8～9所示。由圖8可見，在DO環(huán)境中周期性循環(huán)加載方式下，508Ⅲ01試樣的開裂方式為典型的穿晶開裂，斷口平直，斷面粗糙，局部區(qū)域可見顯著的二次裂紋。由圖9可見，508Ⅲ02試樣的斷口形貌同樣為穿晶開裂，裂紋尖端呈現(xiàn)出大量的扇形開裂區(qū)域，且斷口接近尖端附近不平直，存在顯著的未開裂粘連區(qū)，這可能是508Ⅲ02試樣的裂紋擴(kuò)展曲線在載荷突然增大后出現(xiàn)“跳躍”的主要原因:裂紋擴(kuò)展不平直，大量的未開裂粘連區(qū)影響了裂紋兩段測(cè)得的電信號(hào)，使平均裂紋擴(kuò)展速率較低；但一旦發(fā)生腐蝕性介質(zhì)的突變(如突然斷電，增加DO含量等)和載荷的突變(如K增大)將促進(jìn)未開裂區(qū)迅速拉開，造成裂紋擴(kuò)展曲線“跳躍”，裂紋擴(kuò)展速率激增的現(xiàn)象。

(a) 整體形貌

圖9 508Ⅲ02試樣的斷口形貌

使用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡附帶的電子背散射衍射系統(tǒng)(EBSD)對(duì)508Ⅲ02試樣的裂紋擴(kuò)展路徑和裂紋尖端進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖10和圖11所示。由圖10可見，裂紋擴(kuò)展路徑整體較為平直，靠近裂紋尖端附近存在顯著的二次裂紋。由圖11可見，該裂紋主要為穿晶開裂，且裂紋尖端鈍化，為圓弧形(半徑約為25μm)，表明裂紋尖端存在劇烈的金屬溶解和氧化反應(yīng)，大量的氧化物形成是造成裂紋尖端變“鈍”，裂紋擴(kuò)展速率降低的主要原因。

圖10 508Ⅲ02試樣上裂紋擴(kuò)展路徑

(a) 形貌 (b) IPE圖 (c) KAM圖

2.3 裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)分析

圖12 508Ⅲ低合金鋼的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中幾種低合金鋼數(shù)據(jù)對(duì)比

基于上述研究結(jié)果，在設(shè)計(jì)選材時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制低合金鋼的硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.004%)；其次，服役過程中需要嚴(yán)格監(jiān)控水中的氧含量以及雜質(zhì)離子含量，雖然低硫合金鋼在低載荷和載荷恒定時(shí)對(duì)溶解氧和雜質(zhì)離子具有一定的容忍度，但一旦發(fā)生腐蝕性介質(zhì)的突變(如突然斷電，DO含量增加等)和載荷的突變(K增大)，將造成裂紋擴(kuò)展速率激增的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)在較低的恒載荷條件下，508Ⅲ低合金鋼在含氧及除氧水環(huán)境中裂紋擴(kuò)展速率均低于BWRVIP-60 Line 1預(yù)測(cè)曲線，且對(duì)氧化性介質(zhì)和雜質(zhì)離子具有較高的SCC容忍度。

(2)通入DH或者低腐蝕電位的介質(zhì)環(huán)境是維持508Ⅲ低合金鋼較低裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)鍵因素。

(3)恒載荷條件下，508Ⅲ低合金鋼在含氧及除氧水環(huán)境中均具有較低的裂紋擴(kuò)展速率，但一旦發(fā)生腐蝕性介質(zhì)的突變和載荷的突變，將造成裂紋擴(kuò)展速率激增的現(xiàn)象。

(4)在含氧及除氧水環(huán)境中508Ⅲ低合金鋼的開裂均由穿晶開裂主導(dǎo)，裂紋尖端存在劇烈的金屬溶解和氧化，大量的氧化物形成是造成裂紋尖端變“鈍”，裂紋擴(kuò)展速率降低的主要原因。

致謝:感謝上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心提供的微觀分析