核級奧氏體合金高溫高壓水微動及缺口疲勞行為研究.pdf

1、高溫高壓水腐蝕疲勞(CF)是壓水堆(PWR)核電站壓力邊界材料潛在的的失效形式之一。服役經(jīng)驗(yàn)表明,核電結(jié)構(gòu)材料除可能發(fā)生常規(guī)高溫高壓水CF外,還會因結(jié)構(gòu)特殊而發(fā)生特殊狀態(tài)的CF失效,典型的如微動腐蝕疲勞和缺口腐蝕疲勞。前者主要發(fā)生于蒸汽發(fā)生器(SG)傳熱管與支承板/抗震條之間,而后者主要發(fā)生于構(gòu)件的幾何不連續(xù)處。受限于模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù),PWR核電站結(jié)構(gòu)材料的高溫高壓水微動腐蝕疲勞和缺口腐蝕疲勞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)幾乎為空白,相應(yīng)的環(huán)境疲勞失效

2、機(jī)理也缺乏深入認(rèn)識。本文首先在現(xiàn)有的模擬核電高溫高壓循環(huán)水CF實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,發(fā)展了兩種模擬PWR核電站特殊結(jié)構(gòu)狀態(tài)下材料CF行為的實(shí)驗(yàn)研究方法,即材料高溫高壓水微動腐蝕疲勞和缺口腐蝕疲勞的模擬實(shí)驗(yàn)方法;利用上述方法研究了國產(chǎn)核級690合金在高溫高壓純水中的微動腐蝕疲勞性能及國產(chǎn)核級304不銹鋼(304SS)在B/Li高溫高壓水中的缺口腐蝕疲勞性能,探索了相應(yīng)的環(huán)境疲勞失效機(jī)理。論文主要研究進(jìn)展如下:
　　(1)在現(xiàn)有CF實(shí)驗(yàn)設(shè)

3、備的基礎(chǔ)上,研制了一套高溫高壓循環(huán)水微動腐蝕疲勞模擬實(shí)驗(yàn)裝置:設(shè)計(jì)制備了微動疲勞試樣及相應(yīng)的夾具,實(shí)現(xiàn)了試樣的持久、穩(wěn)定夾持;設(shè)計(jì)制備了采用壓縮彈簧施加法向正壓力的裝置,實(shí)現(xiàn)了法向正壓力的持久、穩(wěn)定施加,理論誤差小于0.5％,可用于開展法向正壓力范圍0-300N的高溫高壓水微動腐蝕疲勞模擬實(shí)驗(yàn)研究。
　　(2)研究了690合金在高溫高壓純水中的微動腐蝕疲勞性能。發(fā)現(xiàn)在100N法向正壓力作用下,合金在285℃純水中的微動疲勞壽命比室

4、溫空氣中的下降了近30％,表現(xiàn)出顯著的環(huán)境促進(jìn)微動疲勞效應(yīng)。在高溫高壓水環(huán)境和微動損傷的共同作用下,試樣表面形成了由接觸區(qū)和縫隙區(qū)構(gòu)成的微動影響區(qū)。接觸區(qū)的縱截面分為三層:由表及里依次是氧化層、變形層和基體層,其中氧化層由外層的微動損傷層和內(nèi)層的富Cr層構(gòu)成。
　　(3)690合金在室溫空氣中微動疲勞裂紋萌生受局部剪切應(yīng)力的控制,主要起始于接觸區(qū)邊緣;而在高溫高壓純水中,其微動腐蝕疲勞裂紋萌生受環(huán)境效應(yīng)和局部剪切應(yīng)力的共同控制,主

5、要起始于縫隙區(qū),且裂紋擴(kuò)展早期與室溫空氣中不同,表現(xiàn)出一段垂直擴(kuò)展。結(jié)合表面損傷特征和裂紋擴(kuò)展行為,建立了690合金高溫高壓純水中的微動腐蝕疲勞損傷模型。
　　(4)研究了高溫高壓純水中690合金在不同法向正壓力下的微動腐蝕疲勞行為。發(fā)現(xiàn)在285℃純水中,隨著法向正壓力的增大,合金微動腐蝕疲勞壽命逐漸下降,且試樣表面接觸區(qū)和微動影響區(qū)的面積逐漸增大,表現(xiàn)出更加顯著的環(huán)境導(dǎo)致的材料退化和微動損傷效應(yīng)。
　　(5)在高溫高壓純水

6、中,環(huán)境因素和微動效應(yīng)的綜合作用在縫隙區(qū)最為顯著,微動腐蝕疲勞裂紋萌生于縫隙區(qū)。裂紋萌生過程受滑移溶解控制,與微動方向呈一定傾角,且法向正壓力越大,滑移開裂現(xiàn)象越明顯。微動腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展行為取決于環(huán)境因素和力學(xué)因素的相互競爭。擴(kuò)展初期,環(huán)境因素主導(dǎo),裂紋垂直于微動方向擴(kuò)展;隨后力學(xué)因素取代環(huán)境因素,裂紋先與微動方向呈一定傾斜角度擴(kuò)展,然后恢復(fù)到垂直微動方向上擴(kuò)展。法向正壓力越大,裂紋尖端附近的亞表面基體承受更嚴(yán)重的塑性變形,裂尖陽極

7、溶解越劇烈,由環(huán)境因素控制的裂紋垂直擴(kuò)展階段越長。
　　(6)設(shè)計(jì)了一種高溫高壓水缺口腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)方法。采用理論公式計(jì)算、手冊查詢和有限元模擬三種方法設(shè)計(jì)了缺口應(yīng)力集中系數(shù)為2.59的缺口疲勞試樣,并通過有限元模擬得到缺口試樣在室溫(25℃)和高溫(280℃、325℃)空氣中的缺口尖端應(yīng)變幅(0.4％、0.6％)對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力。該方法可用于室溫空氣中的缺口疲勞實(shí)驗(yàn)和高溫高壓水中的缺口腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)。
　　(7)研究了核級304

8、SS在室溫空氣中的缺口疲勞行為。發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺口試樣缺口尖端應(yīng)變幅與光滑試樣應(yīng)變幅等效時,因缺口截面存在應(yīng)力應(yīng)變梯度,缺口試樣的疲勞壽命要顯著長于光滑試樣的。
　　(8)研究了核級304SS在280℃和325℃的B/Li水中的缺口腐蝕疲勞行為。發(fā)現(xiàn)304SS在280℃水中的腐蝕速率更大,環(huán)境促進(jìn)CF壽命減小的程度比325℃水中更明顯;在應(yīng)力控制的缺口疲勞條件下,動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)促使CF壽命增加,而DSA在325℃水中更為顯著,相應(yīng)