冷却剂环境下应变速率对国产RPV 低合金钢疲劳寿命影响的试验研究

孙海涛，凌礼恭，方可伟，高晨，吕云鹤，孙造占

（1. 生态环境部核与辐射安全中心 北京 100082；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

环境影响疲劳寿命（EAF）不但是新建核电厂设计阶段需要考虑的因素之一，也是老电厂许可证延续（OLE）阶段时限老化分析需要重点考虑的内容，核电厂老化管理通用经验报告NUREG-1801[1]X.M1 中要求“通过评价反应堆冷却剂环境对核电厂关键部件的影响，老化管理大纲论述反应堆冷却剂环境对核1 级设备疲劳寿命的影响（确定环境影响累积使用因子CUFen）。对于低合金钢根据NUREG/CR-6909[2]中的疲劳设计曲线（图A.1、图A.2 和表A.1）评价环境对关键设备疲劳的影响”。基于日本研究机构和美国阿贡国家实验室的试验数据，NUREG/CR-6909 给出了材质、载荷和环境各种因素对材料疲劳寿命的影响结论，但相关结论对于国产材料的适用性需要结合实际产品材料的环境疲劳试验结果予以评价。

作为国产低合金钢材料环境影响疲劳性能项目之一，本试验主要研究应变速率对国产反应堆压力容器（RPV）低合金钢材料环境服役疲劳寿命的影响规律，并验证相应报告及环境影响因子（Fen）的适用性。

1 试验条件

1.1 材料及试样

试验材料取自国内RPV SA508 Gr.3Cl.1 低合金钢锻件，其成分检测值如表 1 所示。金相组织如图1 所示，为贝氏体回火组织，晶粒度为7 级。经检测，其室温和高温空气中的常规力学性能满足ASME 规范标准[3]和技术规格书的要求。

表1 试验材料化学成分Table 1 Chemical composition of materials used mass%

图1 试验材料金相组织Fig.1 The microstructure of the testing specimen

在RPV 锻件内1/4 壁厚处切取试料并加工成圆棒状拉压疲劳试样（见图 2），试样参照ASTM E606[4]进行设计和加工：试样标距为16 mm，直径为8 mm，满足疲劳试验机夹具的要求。

图2 疲劳试验试样Fig.2 Fatigue testing specimen

1.2 试验装置

试验装置采用高温高压循环水疲劳试验系统（见图3），该装置主要由材料疲劳试验机、循环水回路、高压釜和控制系统等四部分组成。疲劳试样装载于高压釜内，控制系统控制疲劳试验机对试样进行多参数的疲劳加载，并控制循环水回路为高压釜提供精确的水化学控制，从而实现模拟压水堆核电站冷却剂高温高压服役环境的疲劳测试。

图3 高温高压水疲劳试验装置Fig.3 The fatigue testing system

1.3 试验参数

参照GB/T 15248[5]的相关要求选取5 个应变速率点（4%s-1、1%s-1、0.4%s-1、0.04%s-1和0.004%s-1）进行疲劳寿命影响试验研究，其中每个应变速率参数点至少完成3 个平行样品的测试。试验的主要控制参数如表2 所示。

表2 疲劳试验主要参数Table 2 Parameters for fatigue testing

2 试验结果与分析

2.1 环境疲劳寿命试验结果与分析

采用如上所述试验装置，对低合金钢试样按照设定试验参数开展高温高压循环水环境下的疲劳试验，得到国产锻造RPV 低合金钢材料的环境疲劳寿命数据，并与室温空气中的疲劳试验数据和ASME 设计/名义疲劳曲线进行比较，如图4 所示。

图4 试验数据点Fig.4 Fatigue testing data

分析试验数据点可以得出如下规律：

（1）高温高压水环境疲劳试验数据点均在室温空气环境疲劳试验数据点的左方，即同一应变速率和应变幅条件下高温高压水环境下的疲劳循环次数低于空气环境下的疲劳循环次数，反映出即高温高压水环境对材料的疲劳寿命有较大影响，同时各数据点远离ASME 名义疲劳曲线，因此相应的工程设计直接采用原ASME设计疲劳曲线是不合适的，应考虑服役环境对材料疲劳寿命的影响，根据核电厂设计运行条件对ASME 设计疲劳曲线进行必要的修正或采取相应的工程措施。

（2）从应变速率与疲劳寿命影响规律（见图5）可以看出：试验条件下，国产RPV 用SA508 Gr.3 Cl.1 低合金钢材料的环境疲劳寿命随应变速率下降而降低；当应变速率从4%s-1下降到1%s-1时，疲劳寿命基本无变化；当应变速率从1%s-1下降到0.004%s-1时，疲劳寿命下降趋势明显，同时与应变速率下降呈现一定的对数关系；即1%s-1～0.004%s-1应变速率范围内SA508 Gr.3 Cl.1 低合金钢的环境疲劳效应显著，这与Chopra 等的研究结果[2]基本一致。

图5 应变速率与疲劳寿命影响规律Fig.5 Relationship between the strain rate and the fatigue life

2.2 Fen 适宜性分析

针对EAF 问题，NUREG/CR-6909 采用环境疲劳修正系数Fen方式对原疲劳设计进行相应的修正，其中规定：

并给出了低合金钢的Fen计算公式及其参数约定和阈值条件，近几年NRC 结合最新的环境疲劳试验数据对原计算公式等内容进行修订，修订后低合金钢的Fen计算公式为：

T*——温度因子；

O*——DO 因子。

将表2 所示的试验条件代入公式计算得到对应的Fen值。运用Fen值对ASME 名义疲劳曲线进行处理，得到5 条修正平均曲线，如图6所示。可以看出低应变速率条件下试验得到的疲劳寿命数据点主要分布在各自Fen修正名义疲劳曲线的上方，说明采用公式3 进行的Fen修正基本包络国产RPV 低合金钢材料的EAF效应，但个别高应变速率试验数据点无法完全被包络，相应的Fen预测公式应结合国产材料的EAF 试验数据考虑修正。

图6 Fen 修正曲线Fig.6 Fen amendment curve

2.3 表面裂纹及断口形貌

用扫描电镜对不同应变速率下高温高压水腐蚀疲劳试样进行观察，记录试样表面裂纹形貌。如图7 所示，在高应变速率条件下国产RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金钢环境疲劳试样表面的疲劳主裂纹基本与加载轴成45°方向，微观上呈锯齿状曲折扩展。随着应变速率降低，疲劳试样表面的疲劳主裂纹呈现与加载轴的夹角逐渐减小直至垂直的趋势。

图7 不同应变速率条件下表面裂纹形貌（1）4%s-1，（2）1%s-1，（3）0.4%s-1Fig.7 Morphologies of surface cracks of different strain rates

图7 不同应变速率条件下表面裂纹形貌（续）（4）0.04%s-1，（5）0.004%s-1Fig.7 Morphologies of surface cracks of different strain rates

从每个数据点的三个平行试样中挑选一个进行采用扫描电镜（SEM）观察，分析断口表面特征，如图8 所示可以看到国产RPV SA508 Gr.3 Cl.1 低合金钢的疲劳断口表面粗糙，呈现台阶状和典型的多裂纹源起始特征。

图8 疲劳试样断口（裂纹源）Fig.8 The morphology of fractures

图8 疲劳试样断口（裂纹源）（续）Fig.8 The morphology of fractures

综合判断，国产RPV 低合金钢在高温高压水环境中的疲劳裂纹主要萌生于试样表面，低应变速率时主要为膜破裂/滑移溶解机理控制裂纹扩展。

2.4 后续工作

鉴于国产RPV 低合金钢高温高压水环境疲劳试验数据较少，后续将进一步开展温度、应变速率、溶解氧和含硫量等各影响因素的疲劳试验，尤其是更接近RPV 服役条件的低低应变速率条件的环境影响疲劳试验，获取充分的试验数据，在收集和整理国内各研究单位试验数据的基础上，开发国产RPV 低合金钢材料的环境疲劳影响因子Fen计算公式。

3 总结

综合分析本试验结果，可以得到如下的规律和结论：

（1）试验条件下国产RPV SA508 Gr.3 Cl.1低合金钢材料表现出确定的EAF 效应：在高温高压水环境中疲劳寿命相对于空气中降低，应变速率降低则EAF 效应更显著。

（2）低合金钢部件的工程疲劳分析应考虑服役环境对材料疲劳寿命的影响，根据核电厂设计运行条件对ASME 设计疲劳曲线进行必要的修正或者采取相应的工程措施。

（3）环境疲劳修正系数Fen可采用NUREG/CR-6909 最新版规定进行计算，但需根据国产材料的试验数据考虑修正，后续可考虑国产 RPV 低合金钢材料的环境疲劳影响因子Fen计算公式的开发和应用。