316L 不锈钢管材内压爆破性能的研究

刘 洋，马海滨，黄 恒，王占伟，翟剑晗

（1.中广核研究院有限公司ATF 研发项目部，广东 深圳 518000；2.深圳核电站高安全性事故容错燃料技术工程实验室，广东 深圳 518000）

目前，世界常见的核电站堆型有压水堆，沸水堆、重水堆和快中子堆等，其中大多结构部件均采用不同类型钢材，如：304L、316L、321H 和Cr-Ni 型双相不锈钢等，因此钢材的可靠性直接影响核电站运行安全［1-4］。尤其是引领未来核电发展的第四代先进核电技术，更是将改进型高性能钢材作为许多关键结构件的候选材料，它们处于温度更高、辐照损伤更为强烈、腐蚀环境更为复杂的运行环境［5-7］，对钢材性能提出更为苛刻的要求。

文章采用核电中应用较为广泛的316L 不锈钢管材作为研究对象，对目前研究较少的内压爆破性能进行研究，为后续316L 不锈钢改性提供重要的数据基础，进一步推动其在核电领域的应用。

1 实验部分

1.1 试验样品

试验材料为316L 不锈钢管材，材料名义化学成分见表1。

表1 316L 不锈钢名义化学成分（wt.%）

依据ASTM B811-02（2007）内压爆破标准，内压爆破试验管材需满足长径比大于10，样品尺寸长22 cm，外径9.5 mm，壁厚0.8 mm。316L 不锈钢管材样品如图1所示。

1.2 试验方法

内压爆破试机采用液气复合加载模式加压，温度低于400 ℃，采用高温硅油加载；温度高于400 ℃时，采用Ar 气进行加压。试验升压速率为13.8 MPa/min，试验温度分别为室温、350 ℃、400 ℃、600 ℃。试验后对破口周长进行测量（破口周长不包含开口长度）。采用Gemini SEM500 场发射电子显微镜对爆破破口微观形貌进行分析。

图1 316L 不锈钢管材样品

2 结果与分析

2.1 内压爆破曲线

不同温度316L 管材压力-时间曲线如图2 所示。可以看出，随着温度升高，爆破压力逐渐下降。室温时，管材爆破压力为109.4 MPa；温度升高至350 ℃时，爆破压力降为85.1 MPa；进一步升高温度至400 ℃，爆破压力降为81.9 MPa；温度为600 ℃时，爆破曲线平稳性有所下降，加载后期升压速率有所下降，总体满足试验升压速率要求。相比于400 ℃试验，爆破压力进一步降为69.4 MPa。

2.2 爆破强度

式中：Qz为周向强度，MPa；P 为管材内压力，MPa；D为管材直径减去平均壁厚，mm；t 为管材最小壁厚，mm。

试验件平均外径尺寸、壁厚、最小壁厚、爆破压力和周向强度列于表2 中。可以看出，随着温度升高，周向强度逐渐下降，但在600 ℃高温时，仍保持一定强度。室温时，周向强度为558.6 MPa；温度升高至350 ℃时，周向强度降至439.1 MPa；进一步升高温度至400 ℃，周向强度降至417.5 MPa；温度为600 ℃时，周向强度下降至355.9 MPa。

图2 316L 不锈钢管材不同温度内压爆破曲线

表2 316L 不锈钢爆破数据

2.3 破口分析

图3 为316L 不锈钢管材破口宏观和微观形貌图。宏观破口可以看出，管材破口均为轴向撕裂，且随着温度升高，破口撕裂程度加剧。破口微观形貌分析可以看出，不同温度下管材破口均存在不同数量、大小的韧窝，韧窝是金属材料韧性断裂的主要特征，表明316L 不锈钢管材在不同试验温度下均具有较好的韧性。

破口肿胀变形数据如表3 所示。

表3 破口肿胀变形数据

由于试验件破口部分在爆破过程（尤其是气压爆破）中受到损坏，故破口肿胀变形数据仅具有一定的参考性。

3 结果与分析

文章针对316L 不锈钢管材内压爆破和高温拉伸性能进行研究，得出结论如下：

（1）316L 不锈钢管材具有较好的周向强度。随温度升高，周向强度逐渐降低，600 ℃时，周向强度仍保持355.9 MPa。

（2）SEM 结果分析表明，不同温度下管材破口均存存在不同数量、大小的韧窝，表明316L 不锈钢管材具有较好的韧性。

图3 316L 不锈钢管材破口宏观和微观形貌图