核电材料高温高压水缺口疲劳性能研究现状与进展
Review of Notch Effect on Fatigue Behavior of Materials for LWR Plants in High Temperature High Pressure Water
通讯作者: 吴欣强,E-mail:xqwu@imr.ac.cn,研究方向为腐蚀与疲劳
收稿日期: 2017-11-15 修回日期: 2018-01-28 网络出版日期: 2019-01-03
基金资助: |
|
Corresponding authors: WU Xinqiang, E-mail:xqwu@imr.ac.cn
Received: 2017-11-15 Revised: 2018-01-28 Online: 2019-01-03
Fund supported: |
|
作者简介 About authors
廖家鹏,男,1990年生,博士生
综述了轻水堆核电站用结构材料的缺口疲劳问题研究现状,分析了材料、应力、环境和缺口几何形状等影响因素,讨论了核电材料在高温高压水中缺口疲劳裂纹萌生及裂纹扩展的可能机理,指出了当前研究中存在的问题及进一步的研究方向。
关键词:
The effect of notch geometry on fatigue performance of structural materials for light water reactor plants was reviewed. Four factors affecting the fatigue behavior of notched specimen were taken into account, including characteristics of materials, stress state, corrosive environments and notch geometry. The possible mechanisms of fatigue crack initiation and propagation of notched specimen for nuclear-grade materials in high temperature high pressure water have been discussed. The coming possible research topics and directions are also proposed.
Keywords:
本文引用格式
廖家鹏, 吴欣强.
LIAO Jiapeng, WU Xinqiang.
1 核电材料高温高压水缺口疲劳问题研究现状
自20世纪50年代至今,关于缺口疲劳问题的研究从未间断。国内外专家学者提出过一些处理材料缺口疲劳问题的模型和方法:如Kuhn等[10]和Peterson[11]引入疲劳缺口系数,提出了缺口的平均应力模型;Manson[12]和Coffin[13]利用Manson-Coffin公式,并采用等效应变法对缺口疲劳寿命进行估算;Neuber[14]提出运用局部应力应变法预测缺口疲劳寿命的Neuber法则;Molski和Glinka[15]提出模拟缺口应力-应变历程的等效应变能密度法等。近几年,国内同行对材料缺口疲劳问题的研究也逐渐深入。刘丽君[16]研究了钢网架螺栓球节点用高强螺栓的缺口效应;奚蔚等[17]提出了一种考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法;冯先锋等[18]研究了潮湿空气环境下铝合金的缺口疲劳强度等。与此同时,随着计算机模拟软件的普及,实验分析和模拟计算的结合为缺口疲劳问题的研究提供了新的思路[19,20]。这些理论和方法的提出在一定程度上促进了缺口疲劳性能的研究,为缺口问题的解决提供了理论指导和依据。
表1 LWR核电站涉及的几何不连续典型部位及其结构材料
Table 1
Classification | Typical part | Construction material |
---|---|---|
Bolt hole | Pressure vessel head | Stainless steel (SS) |
Welding discontinuities | Pressure vessel, SG tubes, pressurizer, small-diameter pipelines | Alloy 690/52 or 152 |
Primary loop circulation piping system, reactor internals | SS/Ni-based alloy | |
Pressure vessel, SG safe-end welds, pressurizer | SS/ Ni-based alloy/Low alloy steel | |
Pressure vessel | Butt welding of low alloy steel |
当前,受限于实验设备和实验方法,材料缺口疲劳的实验研究局限于室温空气和高温空气环境中,对于核电高温高压水环境中服役材料的缺口疲劳性能研究极少,仅有Sakaguchi等[23,24,25]研究了缺口效应对核电材料在模拟沸水堆 (BWR) 环境中腐蚀疲劳性能的影响。相关研究的重点在于高温水环境中缺口疲劳寿命的预测,利用有限元方法 (FEA) 计算得到缺口尖端的应变速率和环境疲劳校正因子 (Fen),结合修正的速率近似方法对缺口试样的环境疲劳寿命进行预测,并将预测得到的缺口试样环境疲劳寿命与光滑试样环境疲劳寿命进行对比,分析得到预测方法的准确性及可行性。但是,上述研究仅针对缺口环境疲劳寿命进行定量分析,对缺口环境疲劳寿命的变化机理及相应的组织结构演变规律缺乏深入的研究。
近年来,中国核电发展迅速,系统研究国产材料高温高压水中缺口疲劳性能将进一步丰富国产核电材料腐蚀疲劳基础数据,深化人们对材料腐蚀疲劳损伤机理的认识,促进核电材料国产化,同时也为我国核电站的长期安全稳定运行提供重要的技术支撑,对保障现役核电站安全运行及新电站的安全设计有重要的理论和实际意义。
2 传统缺口疲劳问题的特点
研究材料力学行为时,通常引入3种不同几何状态的试样:光滑试样、带裂纹试样和缺口试样。针对缺口试样,当缺口根部半径趋于无穷大时,缺口试样转化为光滑试样;当缺口根部半径趋于无穷小时,缺口试样则转化为带裂纹试样。因此可以将缺口试样看成是光滑试样与带裂纹试样之间的一个中间状态,其疲劳失效问题仍然是裂纹体的断裂问题。
关于光滑试样和带裂纹试样的疲劳问题已有系统研究,但缺口试样疲劳问题的研究有待深入开展。疲劳过程中,与光滑试样对比,缺口的存在会导致试样的应力应变状态发生改变:缺口前方的应力状态将由单轴应力变为三轴应力,同时缺口平面的应力应变水平从缺口尖端到试样心部呈现梯度下降特征,缺口根部的局部应力和局部应变显著高于试样心部。带缺口试样的应力应变状态的改变将对材料的疲劳性能产生影响,进而影响缺口试样的疲劳寿命。与光滑试样对比,缺口试样的疲劳问题有几大特征因素:缺口类型、缺口张开角度、缺口深度和缺口尖端半径等,对这些因素的全面分析将有利于后续特殊环境中的缺口疲劳实验技术开发和缺口疲劳机理研究。
2.1 缺口类型
研究[26,27,28,29,30]表明,缺口类型,如锐缺口和钝缺口、U型缺口和V型缺口,影响着实验材料的断裂行为。不同类型缺口的应力强度因子和缺口敏感性不同,最终导致缺口应力集中系数算法的差异。Lazzarin等[29,30]系统地研究了不同缺口类型与应力强度因子间的关系和不同缺口类型对材料断裂行为的影响。针对不同的研究目的和研究背景,缺口类型的选取不同。V型锐态缺口主要用于解决由微裂纹引起的应力集中问题[30],而多数工程构件的缺口均以钝态形式呈现,故多采用钝态缺口[27]。U型缺口与V型缺口的选取没有明确限定,但U型缺口可用张开角度为30o的V型缺口加以替代[29]。因此,为便于系统研究缺口几何形状对材料疲劳性能的影响,针对材料缺口疲劳性能的研究普遍采用V型钝态缺口试样。
2.2 缺口深度
由疲劳裂纹扩展行为的Paris公式可知,疲劳裂纹的扩展速率与试样应力强度因子有关。Lazzarin等[31]研究认为,缺口试样的应力强度因子与缺口深度呈正相关关系,在计算裂纹扩展速率时把缺口深度纳入裂纹长度项。其次,针对缺口试样的疲劳实验,因缺口根部的应变无法精确获取,部分实验采用应力控制,当载荷大小不变时,缺口深度的增加势必导致缺口截面名义应力幅的增大,相应的缺口尖端应变幅也将发生改变。
2.3 缺口张开角度
2.4 缺口尖端半径
当前,缺口疲劳实验普遍采用给定缺口张开角度和深度但改变缺口尖端半径的缺口试样。在LWR核电站高温高压水环境下,实验可变参数众多,如果对缺口几何变化参数考虑过多将会导致缺口疲劳行为过于复杂,后续的结果分析也将缺乏针对性。
3 LWR核电站水环境中缺口疲劳问题的特点
前已述及传统缺口疲劳实验的特点。相比之下,LWR核电站高温高压水环境中的缺口疲劳实验既具有传统缺口疲劳实验的特点也具有自身特点。表2给出了LWR核电站高温水环境中和室温空气中缺口疲劳性能的主要影响因素。
表2 LWR水环境中和室温空气中缺口疲劳性能的主要影响因素
Table 2
Influencing factor | Testing environment |
---|---|
Material: Composition, microstructure, inclusions, surface state | RT air, LWR water |
Notch geometry: Notch type, notch angle, notch depth, notch root radius | RT air, LWR water |
Stress state: Stress amplitude, stress rate, wave form | RT air, LWR water |
Environment: Temperature, pressure, pH, DO, DH | LWR water |
对于LWR核电站水环境中缺口试样的腐蚀疲劳失效问题,涉及材料、缺口几何、交变应力和环境四大因素。材料因素主要包括成分、组织状态、夹杂物和表面状态等;缺口几何主要指缺口张开角度、缺口深度和缺口尖端半径等;应力因素主要指应力幅、加载速率和波形等;而高温高压水环境作为LWR核电站材料腐蚀疲劳特有的影响因素,主要是指温度、压力、pH值、DO和溶解氢 (DH) 含量等。以上四部分因素的交互作用影响缺口试样腐蚀疲劳裂纹的萌生与扩展,并最终影响材料的疲劳寿命。
4 缺口试样腐蚀疲劳裂纹的萌生与扩展
光滑试样的疲劳裂纹萌生寿命在整个疲劳寿命中占主要比重,高于50%。引入缺口大大地降低了疲劳裂纹萌生寿命,裂纹扩展成为疲劳断裂的主要部分[36]。尽管疲劳寿命的相对组成发生了变化,但裂纹萌生和扩展作为缺口疲劳断裂的基本组成部分,都需要仔细研究,这样才能系统地理解缺口疲劳裂纹的萌生和扩展行为,进一步分析材料的环境缺口效应。
4.1 缺口试样腐蚀疲劳裂纹的萌生
LWR核电站高温高压水环境中,缺口试样疲劳裂纹萌生寿命可用直流电位降 (DCPD) 和缺口尖端位移测量 (NRD) 两种方法通过实验直接得到。DCPD法是施加恒定的直流电流于试样两端,观测缺口边缘的电位突变来确定疲劳裂纹萌生寿命,该方法也可用于观察疲劳裂纹的扩展行为。NRD法[45]则是针对缺口几何计算出裂纹萌生对应的缺口尖端张开位移,在实验中标定即可得到疲劳裂纹的萌生寿命。
4.2 缺口试样腐蚀疲劳裂纹的扩展
相对于光滑试样,缺口试样的疲劳裂纹扩展仍有其独特规律。光滑试样的疲劳裂纹扩展传统上分为3个阶段[49]:低扩展速率区、中等扩展速率区 (Paris区) 和高扩展速率区,裂纹扩展速率呈曲线加速增大。但对于缺口试样,Sakane等[36]研究认为整个疲劳断裂过程中裂纹的扩展速率基本保持不变,仅在裂纹扩展的中后期缺口试样的裂纹扩展行为才与光滑试样趋于一致。他们认为缺口的存在导致其尖端应力集中,大量裂纹萌生于缺口根部,相互连接,宏观上以一个环形裂纹由缺口尖端向试样心部扩展;而对于光滑试样,通常2、3条或多条裂纹在试样表面萌生,呈半圆形或半椭圆形扩展,其中一条裂纹发展成主裂纹,导致试样疲劳失效。因此,研究LWR核电站水环境中缺口疲劳裂纹扩展行为时,不能完全遵从光滑试样腐蚀疲劳裂纹扩展机制。
5 存在的问题与展望
当前,材料缺口疲劳性能研究主要集中在常温及高温空气环境中,鲜有LWR服役环境中结构材料的缺口疲劳性能报道,缺乏缺口环境疲劳基础数据。因此,需要开发用于高温高压水环境下的缺口疲劳实验技术,开展核级低合金钢、不锈钢、镍基合金等的缺口试样在模拟核电高温高压水中的缺口疲劳实验,获得材料的缺口疲劳强度实验数据。因缺口试样与光滑试样存在应力应变状态差异,光滑试样的腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展机理无法直接用于缺口试样,需要结合环境效应与缺口效应深入分析高温高压水中缺口试样的腐蚀疲劳失效机理,定量评价缺口效应、环境效应以及两者的交互作用对核电材料缺口疲劳性能的影响,进而建立国产核电材料缺口疲劳寿命预测模型,为国产核电材料的设计开发与安全评价提供数据支撑。