国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能评估

侍克献　田根起　王苗苗　杨昌顺　王延峰

0 引言

核电主管道是连接反应堆压力容器和蒸汽发生器核岛一回路系统的关键设备，是输出堆芯热能的大动脉，在核电机组的整个服役周期内不可更换，因此其安全性要求非常高。AP1000和CAP1400三代压水堆核电机组的主管道服役环境复杂，长期运行在350℃高温和17 MPa高压以及高流速纯水腐蚀环境下，同时还要经受启停、振动以及温度和压力波动等条件的影响，因此主管道用材料的低周疲劳性能是主管道设计和寿命分析需要考虑的一个重要因素。主管道作为核一级大型厚壁承压管道，主要选用耐晶间腐蚀、疲劳性能优良和焊接性能好的铬-镍奥氏体不锈钢，基中AP1000和CAP1400三代核电机组的主管道选用了超低碳控氮316LN奥氏体不锈钢。316LN钢具有优良的力学性能、耐腐蚀性能和抗热老化性能，同时具备良好的塑性和韧性。为了提高核电站的运行安全性，AP1000和CAP1400机组减少了管道上的焊缝数量，主要采用实心锻造加深孔套料技术或者空心锻造技术这2种整体锻造工艺来制造主管道。

目前，主要开展了AP1000核电机组主管道用316LN钢的低周疲劳性能研究。CAP1400核电机组在继承AP1000核电机组安全性和经济性的同时提高了发电功率，其主管道在AP1000机组主管道的基础上重新进行设计，管道直径、壁厚和长度都有了显著的增加，这使得锻造管道用的电渣重熔钢锭的质量由80 t提高到130 t左右。这些指标的提高对于钢锭的锻造工艺和晶粒度控制、主管道弯制尺寸精度以及热处理过程尺寸的控制等都提出了严峻的挑战。因此，有必要对制造工艺更为复杂、制造难度更高的CAP1400主管道进行性能评估，判断其是否满足设计要求。基于此，作者在国产CAP1400核电机组316LN钢主管道上取样，开展室温、服役温度（350℃）、500℃和600℃条件下的低周疲劳试验，获得该钢的循环应力响应特性，讨论了动态时效应变现象；采用Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型拟合稳定循环应力幅-应变幅和应变幅-失效反向数关系，探讨了ASME设计规范评价疲劳性能的方法，并对国产316LN钢的室温和350℃的疲劳性能进行评价，以期为保证CAP1400核电机组一回路完整性提供支撑。

1 试样制备与試验方法

试验材料取自国内某公司采用空心锻造工艺制造的CAP1400核电机组316LN钢主管道，管道的外径和内径分别为1 145 mm和800 mm，热处理态为1 040～1 060℃固溶处理态。316LN钢的化学成分见表1，显微组织如图1所示，为单一奥氏体，平均晶粒度约为4级。

按照GB/T228.1-2010和BG/T228.2-2015，沿主管道轴向截取拉伸试样，试样直径和标距分别为12.5mm和50mm，在SANSHST5106型液压式万能材料试验机上进行拉伸试验，试验温度为室温（25℃）到450℃，应变速率为0.0042 min-1，不同温度条件下开展3个平行试验取平均值。按照GB/T15248—2008，沿主管道轴向截取疲劳试样，试样直径和标距分别为10 mm和30 mm；在INSTRON8802型电液伺服疲劳试验机上开展低周疲劳试验，采用应变控制方式，应变比为-1，应变速率为1×10-3～4×10-3 s-1，选取循环峰值应力下降到稳定峰值应力75%时的循环次数作为低周疲劳失效次数，即低周疲劳寿命Nf；试验温度为室温以及350，500，600℃，其中在室温和350℃条件下开展了应变幅分别为0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，1.0%，1.1%的试验，获取316LN钢的循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线，500℃和600℃下开展了应变幅为0.6%的试验，观察316LN钢的动态应变时效现象。

循环应力-应变曲线反映了材料在不同循环应变幅作用下的应力幅响应，是疲劳设计中的重要性能数据。通常采用Ramberg-Osgood模型描述应变幅与循环稳定应力幅之间的关系，其表达式为

式中：Δεt/2为应变幅；Δσ为稳定循环应力范围；Δσ/2为稳定循环应力幅，选取0.5Nf循环次数的循环应力幅作为稳定循环应力幅；E为弹性模量；K为循环硬化系数；n为循环硬化指数。

在双对数坐标系中对稳定循环应力幅和应变幅进行线性拟合，可以求出K和n。

Manson-Coffin模型实现了疲劳寿命从定性研究到定量研究的突破，是一种较为常用的疲劳寿命预测方法，被ASTME606—2012和GB/T15248—2008采纳，其表达式为

式中：σf为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；εf为疲劳塑性系数；c为疲劳塑性指数；2Nf为失效反向数。

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸性能

由图2可以看出：316LN钢的强度和塑性均随着试验温度的升高而逐渐下降，但是在300～450℃的温度区间内存在一个平台，在该温度区域内强度和塑性下降不显著。

2.2 低周疲劳性能

由图3可以看出，316LN钢的室温循环峰值应力与循环次数的关系曲线包含了循环硬化（曲线上升）、循环软化（曲线下降）、稳定循环（曲线平直）和最终失效（曲线快速下降）4个阶段。循环峰值应力随着循环次数快速上升并达到最高值的初始循环硬化阶段占比很小，但应变幅越大，循环硬化阶段占比越大；循环峰值应力保持稳定的稳定循环阶段占据大部分疲劳寿命周期。316LN钢在350℃、0.3%低应变幅条件下没有出现明显的循环软化阶段，其余应变幅下则均具有与室温条件类似的循环响应特征。对比发现，在相同应变幅下，350℃的循环峰值应力比室温要低很多。316LN奥氏体不锈钢中添加了氮元素，会形成Cr-N近程有序结构，其与位错的交互作用会促进平面滑移，此外添加氮元素还会降低堆垛层错能，因此导致更为显著的循环软化特征。

在不同温度和0.6%应变幅下316LN钢在初始软化阶段、循环硬化阶段、循环软化阶段、循环稳定阶段以及失效前的迟滞回线如图4所示。由图4可以看出，在500，600℃下的迟滞回线上循环峰值应力出现很明显的锯齿状波动，说明316LN钢发生了动态应变时效，350℃下动态应变时效的相关特征不太明显，而室温下未观察到该现象。动态应变时效现象是位错和溶质原子相互作用引起的。不锈钢的动态应变时效现象一般在400～600℃更为显著，作者研究的试验结果符合这一规律。

由图5可以看出，在350℃条件下316LN钢的稳定循环应力幅显著低于室温条件，Ramberg Osgood模型拟合结果与试验数据之间的相对误差小于8%，说明Ramberg-Osgood模型可以较好地拟合316LN钢的稳定循环应力幅-应变幅曲线。由图6可以看出，模型拟合结果与试验数据之间的相对误差小于7%，可知Manson-Coffin模型可以很好地拟合316LN钢的应变幅-失效反向数曲线。室温和350℃条件下的Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型的各项参数拟合结果见表2。

2.3 低周疲劳性能评价

虽然上述Manson-Coffin模型在疲劳数据拟合中得到了广泛应用，但是ASME锅炉及压力容器（BPVC）规范在获取疲劳设计曲线时却采用Langer模型对疲劳应变-寿命数据进行拟合分析。Langer模型更加方便可靠，适合处理多种相近材料联合拟合的情况，其表达式如下：

Δεt/2=A1（Nf）-n1+A2（3）

式中：A1，A2，n1均为材料参数，通过拟合试验数据得到。

ASME规范规定，碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢的n1均取0.5。采用Langer模型对服役温度在425℃以下应变控制的不銹钢疲劳试验数据进行拟合，获得了最佳拟合疲劳曲线（也称平均拟合疲劳曲线），并在2009年的规范增补中对该曲线进行了修订。由图7可见，室温和350℃服役条件下的低周疲劳试验数据点均高于不锈钢的最佳拟合疲劳曲线，这表明试验研究的国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能满足ASME规范要求。

此外，ASME规范考虑了包括材料批次、部件尺寸、表面粗糙度以及载荷历史等因素对数据分布的影响，将试验应力或者应变调整系数K1定为2，疲劳寿命调整系数K2定为20，将试验数据除以调整系数，并取这2种方式得到的数据点的下包络线作为疲劳设计曲线。美国阿贡实验室的研究表明，疲劳寿命调整系数取20时获得的结果太保守，因此ASME规范在2009年的增补中将不锈钢等材料的疲劳寿命调整系数K2由20改为12。尽管如此，NUREG/CR6909认为该系数未来仍有可能继续调整到10。

将室温下取不同调整系数的316LN钢低周疲劳试验数据，与ASMEBPVC规范第三卷附录I-9.2（ASMEⅢ-AI-9.2）的疲劳设计曲线以及NH分卷的T1420-1B（ASMEⅢ-NHT1420-1B）的40℃疲劳设计曲线同绘于图8（a）中，可见试验数据均位于ASMEⅢ-NHT1420-1B的40℃疲劳设计曲线上。鉴于前述316LN钢的拉伸性能在300～450℃的温度区间内存在一个平台，且350℃和425℃均低于不锈钢蠕变温度，将350℃条件下取调整系数的试验数据和ASMEⅢ-NHT1420-1B的425℃疲劳设计曲线以及ASMEⅢ-AI-9.2的316疲劳设计曲线进行了比较，结果如图8（b）所示。可见试验数据均位于2条疲劳设计曲线上方，这表明国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能满足ASME规范要求。

3 结论

（1）国产CAP1400核电机组主管道用316LN钢的循环应力响应过程包含循环硬化、循环软化、稳定循环和最终失效4个阶段；500，600℃下316LN钢发生显著的动态应变时效，350℃下动态应变时效特征不明显，室温下不存在动态应变时效现象。

（2）在350℃下316LN钢的稳定循环应力幅显著低于室温条件，Ramberg-Osgood模型拟合得到的稳定循环应力幅-应变幅关系与试验数据之间的相对误差小于8%，说明Ramberg-Osgood模型的预测精度高；Manson-Coffin模型拟合得到316LN钢的应变幅-失效反向数关系与试验数据之间的相对误差小于7%，说明Manson-Coffin模型的预测精度高。

（3）在室温和350℃条件下316LN钢的疲劳试验数据均高于ASME锅炉及压力容器规范修订后的最佳拟合疲劳曲线，应变调整系数取2或疲劳寿命调整系数取12的试验数据均高于该规范第三卷附录I-9.2以及NH分卷的T1420-1B的设计疲劳曲线。

本文摘自《机械工程材料》2023年第5期