反应堆压力容器用508Ⅲ低合金钢在高温高压硼锂水环境中的应力腐蚀开裂行为

汪家梅,苏豪展,张乐福,陈 凯,杜东海,熊 团,王 慧,沈康华,吴丽华

(1.上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240; 2.浙江国检检测技术股份有限公司，海盐 314300)

碳钢和低合金钢(LAS)由于成本低，且具有很好的力学性能、焊接性能和抗高温应力腐蚀开裂(SCC)等优势，被广泛用于制作反应堆压力容器一、二回路管道等核电站压力边界构件[1-3]。因此，这些碳钢和低合金钢在压力边界高温下的结构完整性、运行可靠性对核电站的安全运营及寿命评估至关重要。

1 试验

1.1 试验材料与试样

试验材料为商用核级508Ⅲ低合金钢，其化学成分(质量分数)为：0.15% Cr，0.79% Ni，0.19% C，1.46% Mn，0.78% Mo，0.001 8% S，0.24% Si，余量Fe。508Ⅲ低合金钢的显微组织主要由铁素体和晶间碳化物组成，如图1所示。将试验材料制成标准紧凑拉伸(CT)试样，详细尺寸见图2，为保证裂纹扩展平直稳定，在CT试样断裂面两侧加工出深度为5%的引导槽，尽量减小由于裂纹偏离而导致的测量误差。

图1 核级508Ⅲ低合金钢的显微组织

(a) 三维图 (b) 主视图

1.2 试验条件与方法

试验装置由高温高压反应釜、拉伸机、控制系统、水化学回路和反应釜内电化学回路组成，详见文献[12]。试验过程中，涉及的载荷、频率、载荷比、应力强度因子等力学参数均由相应的控制软件实时检测并记录。裂纹扩展长度采用DCPD技术在线连续测量，测量精度可达1 μm，直流电的供给和电压降的测量均采用点焊铂丝的方式。通过不锈钢贯穿件中的高温陶瓷和热缩聚四氟乙烯管将信号线与釜体绝缘，试样、加载销钉、夹具与釜体之间采用高温陶瓷管和高温陶瓷垫片进行电绝缘。具体的信号测量原理、试验方法和试验注意事项参见文献[12-15]。内置式Cu/Cu2O/ZrO2参比电极[16-17]用于测量试样的自腐蚀电位，所有电位最终均转换为相对于标准氢电极(SHE)的电位。

在反应釜中用高温高压硼锂水模拟压水堆(PWR)一回路水环境，试验条件如表1所示。通过动态循环水化学回路[18]控制并监测釜内水化学环境。釜内的水更换速率为2次/h。通过持续鼓气的方式向釜内通入氧气和氢气，并由气体质量流量计控制其流量，从而控制溶液中溶解氧(DO)含量和溶解氢(DH)含量。釜内温度为(300.0±0.5)℃，压力为(15.5±0.2)MPa。

表1 裂纹扩展速率试验条件

试验前，对树脂床进行了硼/锂化使其达到目标硼/锂浓度，试验过程中通过蠕动泵加入适量硼酸调节溶液电导率，维持进出口电导率为(22.3±2)μS/cm。

试验通常分为4个阶段：空气中预制疲劳裂纹阶段，水中疲劳扩展向恒载荷SCC过渡阶段，恒载荷SCC阶段和试验后疲劳拉断阶段[12-15,19]。首先，在空气中采用频率为1 Hz, 应力比R分别为0.3,0.5,0.7的正弦波对试样加载，预制长约1 mm的尖锐裂纹。之后，在模拟PWR一回路水环境的反应釜中采用梯形波加载，根据试验材料每个阶段的裂纹扩展速率，依次降低加载频率至0.001 Hz，并逐渐延长最大载荷的维持时间至9 000 s。完成裂纹扩展的过渡后，试验进入恒载荷加载的SCC测量阶段，在恒载荷加载过程中可以在线更改加载方式及温度、DO含量、杂质离子(Cl-)含量等水化学条件。试验结束后，取出试样，沿着厚度方向线切割为2份，一份打磨抛光后用于观察裂纹扩展路径，另一份在室温疲劳拉断，然后观察其断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 裂纹扩展曲线

图3为周期性循环加载下508Ⅲ01试样在模拟PWR一回路水中的裂纹扩展曲线。由图3可见，在含氧水环境、周期性循环加载方式下，508Ⅲ01试样的裂纹扩展速率较高，在最高载荷维持9 000 s时仍能保持在2.4×10-7mm/s，当裂纹扩展至一定阶段后，甚至出现了急剧增加(1.9×10-5mm/s)的现象即“Burst”现象。可见，在含氧水中，一旦存在动态疲劳载荷，508Ⅲ低合金钢将具有较高的SCC敏感性，容易导致该钢部件发生突然快速开裂失效事故。

图3 周期性循环加载下508Ⅲ01试样在模拟PWR一回路水中的裂纹扩展曲线

由于508Ⅲ02试样在模拟PWR一回路水中的应力腐蚀开裂持续时间较长，且在试验过程中各参数发生多次变化，将其裂纹扩展曲线分为多个阶段，如图4～7所示，并对整个过程中的裂纹扩展速率进行汇总，见表2。表中的时间如500 s/0 s/50 s分别表示梯形波加载上升时间/最高载荷维持时间/卸载时间。

表2 508Ⅲ02试样在模拟PWR一回路水中裂纹扩展速率汇总

图4 周期性循环加载下508Ⅲ02试样在模拟PWR一回路水中的裂纹扩展曲线和自腐蚀电位

图4为周期性循环加载下508Ⅲ02试样在模拟PWR一回路水中的裂纹扩展曲线和自腐蚀电位。由图4可见，在含氢(1.58 mg/L)水环境中、周期性循环加载方式下，508Ⅲ02试样的裂纹扩展速率较低，应力比为0.7时，降低加载频率至0.001 Hz(维持0 s)，裂纹扩展速率降低至1.0×10-9mm/s，裂纹几乎停止扩展；应力比降至0.5，再次过渡激活裂纹，当最高载荷维持时间延长至3 000 s时，裂纹扩展速率再次降低至1.9×10-9mm/s。可见，508Ⅲ低合金钢在含氢水中，加载频率降低至0.001 Hz以下，将显著降低其SCC敏感性。

(a) DO含量影响 (b) 应力强度因子影响

图6 恒载荷加载下508Ⅲ02试样在含氧含氯模拟PWR一回路水中裂纹扩展曲线和自腐蚀电位

图7 恒载荷加载下508Ⅲ02试样在含氧和含氢模拟PWR一回路水中裂纹扩展曲线和自腐蚀电位

2.2 裂纹扩展路径及断口微观分析

试验结束后，使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对断口形貌进行微观分析，结果如图8～9所示。由图8可见，在DO环境中周期性循环加载方式下，508Ⅲ01试样的开裂方式为典型的穿晶开裂，断口平直，断面粗糙，局部区域可见显著的二次裂纹。由图9可见，508Ⅲ02试样的断口形貌同样为穿晶开裂，裂纹尖端呈现出大量的扇形开裂区域，且断口接近尖端附近不平直，存在显著的未开裂粘连区，这可能是508Ⅲ02试样的裂纹扩展曲线在载荷突然增大后出现“跳跃”的主要原因:裂纹扩展不平直，大量的未开裂粘连区影响了裂纹两段测得的电信号，使平均裂纹扩展速率较低；但一旦发生腐蚀性介质的突变(如突然断电，增加DO含量等)和载荷的突变(如K增大)将促进未开裂区迅速拉开，造成裂纹扩展曲线“跳跃”，裂纹扩展速率激增的现象。

(a) 整体形貌

图9 508Ⅲ02试样的断口形貌

使用光学显微镜和扫描电镜附带的电子背散射衍射系统(EBSD)对508Ⅲ02试样的裂纹扩展路径和裂纹尖端进行观察分析，结果如图10和图11所示。由图10可见，裂纹扩展路径整体较为平直，靠近裂纹尖端附近存在显著的二次裂纹。由图11可见，该裂纹主要为穿晶开裂，且裂纹尖端钝化，为圆弧形(半径约为25μm)，表明裂纹尖端存在剧烈的金属溶解和氧化反应，大量的氧化物形成是造成裂纹尖端变“钝”，裂纹扩展速率降低的主要原因。

图10 508Ⅲ02试样上裂纹扩展路径

(a) 形貌 (b) IPE图 (c) KAM图

2.3 裂纹扩展速率数据分析

图12 508Ⅲ低合金钢的裂纹扩展数据与文献中几种低合金钢数据对比

基于上述研究结果，在设计选材时，应严格控制低合金钢的硫含量(质量分数低于0.004%)；其次，服役过程中需要严格监控水中的氧含量以及杂质离子含量，虽然低硫合金钢在低载荷和载荷恒定时对溶解氧和杂质离子具有一定的容忍度，但一旦发生腐蚀性介质的突变(如突然断电，DO含量增加等)和载荷的突变(K增大)，将造成裂纹扩展速率激增的现象。

3 结论

(1)在较低的恒载荷条件下，508Ⅲ低合金钢在含氧及除氧水环境中裂纹扩展速率均低于BWRVIP-60 Line 1预测曲线，且对氧化性介质和杂质离子具有较高的SCC容忍度。

(2)通入DH或者低腐蚀电位的介质环境是维持508Ⅲ低合金钢较低裂纹扩展速率的关键因素。

(3)恒载荷条件下，508Ⅲ低合金钢在含氧及除氧水环境中均具有较低的裂纹扩展速率，但一旦发生腐蚀性介质的突变和载荷的突变，将造成裂纹扩展速率激增的现象。

(4)在含氧及除氧水环境中508Ⅲ低合金钢的开裂均由穿晶开裂主导，裂纹尖端存在剧烈的金属溶解和氧化，大量的氧化物形成是造成裂纹尖端变“钝”，裂纹扩展速率降低的主要原因。

致谢:感谢上海交通大学分析测试中心提供的微观分析