高温高压水环境对核308L异种焊缝金属疲劳寿命影响的研究

王仪美，张 飞，唐 毅，陈银强，赵传礼，桂 春

（1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223；2.中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

美国机械工程师协会（ASME）规范给出的疲劳设计曲线已经广泛应用于核电站压力边界材料的疲劳强度设计，该疲劳设计曲线是对材料在室温空气中获得的低周疲劳试验数据进行拟合，没有充分考虑压水堆（PWR）服役环境的影响［1］。研究表明服役环境会对结构材料的疲劳性能产生较大影响，因此美国核管理委员会（NRC）于2007年颁布了RG 1.207导则［2］，要求新建核电站必须充分考虑PWR环境对材料疲劳性能（即环境促进疲劳（EAF））的影响，并推荐采用美国阿贡国家实验室（ANL）NUREG/CR 6909文件中建立的模型所给出的环境疲劳校正因子Fen［3］。

目前，国内已经开展了结构材料在模拟PWR核电站一回路水环境中疲劳性能的研究，研究对象为碳钢、低合金钢、不锈钢及镍基合金母材［2-4］。NUREG/CR 6909中建立的Fen模型可以较准确地评估母材的疲劳寿命，但Fen对焊缝金属疲劳寿命评估的适用性未知。因此，本文以核电用接管安全端308L异种焊缝金属材料为研究对象，进行不同应变幅值条件下固定应变率的低周疲劳（LCF）试验，将获得的应变-寿命曲线与ASME疲劳设计曲线进行对比，并评价Fen对于评估不锈钢焊缝金属疲劳寿命的适用性，并且利用扫描电镜（SEM）表征疲劳断口，分析308L焊缝金属的失效机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为某公司制造的低合金钢16MND5和Z2CND18-12控氮不锈钢平板对接焊件的308L不锈钢焊缝区域，该焊接件是在16MND5低合金钢侧堆焊309L后、在16MND5和Z2CND18-12平板之间堆焊308L，试样沿308L焊缝区域的长度方向取材［5］。环境疲劳试样尺寸（如图1所示）满足ASTM E606标准要求［6］。

图1 环境疲劳试样尺寸

1.2 疲劳试验装置

环境疲劳试验在如图2所示的高温高压水环境疲劳试验装置上完成。该装置由疲劳试验机主机、高压釜、循环水系统和控制系统组成，可连续控制水环境的温度、压力、溶解氧等化学参数和载荷参数。试验前疲劳试验机主机在室温空气环境下进行对中性检查，在高温空气环境中进行试样标距段应变与试验机位移的标定，以确保试验控制过程的准确性。

图2 高温高压水环境疲劳试验系统示意

1.3 试验参数

试验采用位移控制模式，根据试验机位移与试样标距段的应变标定结果确保加载到试样上的应变为目标应变幅值，加载波形为三角波，应变比为R=-1，加载应变率为0.04%/s。选取的应变幅值范围为0.3% ～1.0%，为了降低试验误差，在每级应变幅水平下测试了最少3个疲劳试样。高温高压水环境温度为300℃，压力为8 MPa，溶解氧不大于5×10-9。为了对比高温高压水环境对308L焊缝金属疲劳性能的影响，在相同应变幅值、应变率及温度下进行空气环境中的疲劳试验。材料的疲劳寿命（N25）定义为峰值拉应力下降至最大峰值拉应力的75%时对应的循环周次。

疲劳试验完成后，选择典型样品在试验机上拉断，通过扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 高温空气疲劳寿命试验结果

图3示出该材料在300℃空气环境中的疲劳寿命数据，分别与奥氏体不锈钢的ASME平均曲线、ASME设计曲线及空气环境中的ANL模型曲线对比，其中ASME设计曲线是分别将ASME平均曲线中的应变幅值除以2，循环寿命除以20，取两者最小值获得的包络曲线。结果表明，国产核级308L焊缝金属在不同应变幅值下疲劳寿命低于ASME平均曲线，但高于ASME设计曲线，随着应变幅值降低，疲劳寿命接近ASME平均曲线。

图3 308L焊缝金属在空气环境中的疲劳-寿命曲线

在较低应变幅值条件（小于0.8%）下，308L焊缝金属的疲劳寿命与空气环境中的ANL模型一致。因此，建议在对国产接管安全端部件进行工程疲劳设计时，参考ANL模型给出的空气环境疲劳设计曲线。

2.2 高温高压水环境中的疲劳寿命试验结果

利用最小二乘法对308L在300℃高温高压水环境中不同应变幅值条件下的疲劳寿命数据进行拟合，得到应变疲劳寿命曲线，如图4所示。

图4 308L焊缝金属在高温高压水环境中的疲劳-寿命曲线

拟合方程表达式为：

式中 εa——应变幅值；

N25——材料的疲劳寿命。

从图4中可以看出，308L不锈钢焊缝高温高压水环境的疲劳试验数据点均分布在ASME平均曲线的下方，位于ASME疲劳设计曲线的上方，且相对于空气中疲劳寿命，低应变幅条件下数据点分布距离ASME平均曲线更远，寿命下降得更明显，即受EAF影响更大［7］。

如果采用ASME疲劳设计曲线同样的试验数据点处理方式（即考虑数据分散性、试样尺寸和表面粗糙度的影响），通过对室温空气条件光滑试样低周疲劳寿命数据拟合得到的平均曲线进行保守处理，分别将平均曲线的应力幅值除以2，循环次数除以20，取两者的最小值形成的下包络设计曲线来处理本试验所得的高温高压水疲劳试验数据点，结果见图4，可以看出，ASME设计曲线无法包络试验处理后的曲线。如果采用2/12处理方法，也无法被ASME设计曲线包络。因此，相应的工程设计直接采用原ASME设计曲线是不合适的，应根据核电厂设计运行条件对ASME设计曲线进行必要的修正或采取相应的工程措施。

2.3 环境疲劳校正因子Fen适用性分析

环境疲劳校正因子Fen模型被推荐用于评价EAF对核电用结构材料疲劳寿命的影响。Fen是材料空气环境中疲劳寿命（Nair）与高温高压水环境中疲劳寿命（Nwater）的比值，即：

308L不锈钢焊缝金属属于铸造奥氏体不锈钢，根据NUREG/CR 6909（2014版），奥氏体不锈钢环境疲劳校正因子Fen表达式为：

式中 T*——温度影响因子；

O*——溶解氧影响因子。

上述参数表达式分别为：

式中 T——温度；

图5 308L焊缝金属疲劳寿命与考虑EAF效应的疲劳设计曲线对比

根据试验条件，计算得到Fen=3.6。利用Fen将ANL模型推荐的不锈钢空气环境中疲劳设计曲线进行处理，得到考虑高温高压水环境影响的疲劳设计曲线，将308L不锈钢焊缝高温高压水环境的疲劳试验数据点与新的考虑Fen影响的疲劳设计曲线对比，如图5所示。可以发现，相比于ASME疲劳设计曲线，考虑Fen的疲劳设计曲线基本包络308L不锈钢焊缝在高温高压水中的疲劳试验数据，即能预测该材料的EAF效应，因此适用于评价308L焊缝金属考虑EAF的环境疲劳寿命［8］。

2.4 断口SEM分析

图6示出在温度300℃、溶解氧5×10-9、应变率0.04%/s和应变幅值0.4%条件下断裂的疲劳试样的SEM断口形貌。

图6 308L焊缝金属疲劳断口SEM形貌

从断口（见图6（a））可以看到，308L不锈钢焊缝金属腐蚀疲劳开裂为多裂纹源并行萌生并进一步扩展直至失效的过程。疲劳源区呈现典型的疲劳裂纹扇形解理花样（见图6（b）），疲劳裂纹扩展区存在典型的疲劳辉纹特征（见图6（c）），并且在疲劳源区以及裂纹扩展区均存在很多尖晶石氧化物颗粒，在腐蚀疲劳裂纹扩展区，可以清晰地观察到很多近圆形夹杂物，并且有很多尖晶石氧化物颗粒环绕分布在这些夹杂物外表面，且这些尖晶石颗粒较基体区域尖晶石氧化物颗粒大（如图6（d）所示）。同时，在这些夹杂物附近呈现空洞，与基体之间存在空隙，说明在裂纹扩展过程夹杂物并不能阻碍裂纹前进，相反会在扩展过程中发生机械脱落或者加速基体周围溶解/氧化过程［9-13］。

3 结论

（1）与空气环境的疲劳寿命相比，308L焊缝金属在高温高压水中表现出EAF效应，且在低应变幅值条件下，EAF效应更为明显；

（2）将试验获得的空气环境中的疲劳寿命数据与奥氏体不锈钢的ASME疲劳平均曲线和ANL模型设计曲线对比，建议国产接管安全端部件疲劳设计时参考ANL模型；

（3）Fen模型建议的铸造奥氏体不锈钢疲劳设计曲线与ASME疲劳设计曲线相比，能更好地评价接管安全端材料的环境疲劳寿命；

（4）308L不锈钢焊缝金属腐蚀疲劳开裂为多裂纹源萌生，且本身存在的颗粒夹杂物在扩展过程中发生机械脱落，加速周围基体溶解/氧化过程，造成其环境疲劳寿命的降低。