陸輝,杜東海,陳凱,沈朝,張樂(lè)福,唐睿

（1.上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院,上海200240；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,成都610041）

AP1000核電站是由西屋公司設(shè)計(jì)的第三代核反應(yīng)堆,它是在AP600的基礎(chǔ)上改進(jìn)的雙回路1 000MW的非能動(dòng)壓水堆。采用非能動(dòng)系統(tǒng)既簡(jiǎn)化了核電廠的結(jié)構(gòu),又增強(qiáng)了安全可靠性。AP1000反應(yīng)堆壓力容器是一個(gè)由殼體、過(guò)渡環(huán)、半球形底封頭及可拆卸帶法蘭上封頭構(gòu)成的圓柱形結(jié)構(gòu),其中上殼體、下殼體、過(guò)渡段和半球形底封頭由低合金鋼制造,內(nèi)部堆焊奧氏體不銹鋼,每個(gè)部件之間用焊接連接［1-2］。

AP1000的設(shè)計(jì)溫度為343℃,設(shè)計(jì)壓力為17.1MPa,因此除了確保堆內(nèi)材料具有良好的機(jī)械性能之外,還需要確認(rèn)材料在高溫高壓水中的耐蝕性。本工作在350℃,18.5MPa的超純水中研究AP1000用不銹鋼堆焊層的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）性能,并通過(guò)改變水中的溶解氧含量,分析溶解氧對(duì)不銹鋼堆焊層SCC傾向的影響,為AP1000的安全運(yùn)行提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)材料為E308L不銹鋼堆焊層,其材料成分為C≤0.035%,Mn≤2.5%,Si≤0.90%,S≤0.025%,P≤0.025%,Cr 18.0%～21.0%,Ni 9.0%～12.0%,Mo≤0.50%,Co≤0.20%。其微觀組織如圖1所示,拉伸試驗(yàn)所用試樣全部取自5～6mm厚的堆焊層,不帶基體材料,其尺寸如圖2所示,標(biāo)距段尺寸為15mm×4mm×2mm。試樣在磨拋機(jī)上依次用180號(hào)、400號(hào)、800號(hào)和1 000號(hào)SiC水砂紙打磨,隨后在無(wú)水乙醇中超聲波清洗去污,再用超純水沖洗,最后用游標(biāo)卡尺測(cè)量拉伸段標(biāo)距尺寸。

圖1 試樣的金相組織（50×）Fig.1 The metallograph of specimen

圖2 慢拉伸試樣（單位：mm）Fig.2 Specimen in slow strain rate tensile test

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

本工作將采用在高溫高壓水環(huán)境中慢應(yīng)變速率試驗(yàn)的方法開(kāi)展研究。通過(guò)對(duì)比在高溫氬氣中的空白試驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向分析；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后斷口進(jìn)行SEM分析,對(duì)材料做出性能評(píng)價(jià)。慢拉伸試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)就是試驗(yàn)周期短、重復(fù)性高,能夠?qū)Σ牧系男阅苓M(jìn)行快速評(píng)價(jià),從而廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中［3-7］。

SCC傾向（T）計(jì)算公式如下：

式中：δ0為試樣在高溫氬氣中慢應(yīng)變速率試驗(yàn)后的延伸率；δ為試樣在高溫水中慢應(yīng)變速率試驗(yàn)后的延伸率。

采用掃描電鏡分析試樣斷口形貌的標(biāo)準(zhǔn)是：若試樣的斷口表面均為韌窩微孔,則認(rèn)為是韌性的機(jī)械斷裂；若試樣的斷口表面均為穿晶型或沿晶型的斷裂形貌,則認(rèn)為是脆性斷裂；若試樣的斷口中心部分是韌窩微孔,而邊緣部分呈現(xiàn)穿晶型或沿晶型的斷裂形貌,則認(rèn)為試樣具有SCC敏感性［8］。

試驗(yàn)裝置由高壓釜（容積為1.5L,主要材料為鎳基合金）、SSRT拉伸機(jī)、控制系統(tǒng)和水化學(xué)回路組成。試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)介質(zhì)為超純水（≥18.2MΩ·cm）,對(duì)比試驗(yàn)在高溫氬氣中進(jìn)行,溶解氧含量分別為0,200,2 000μg·kg-1,試驗(yàn)溫度為（350±2）℃,試驗(yàn)壓力為（18.5±0.1）MPa,回水電導(dǎo)率≤0.1μs·cm-1,應(yīng)變速率為9.26×10-7s-1。位移的測(cè)量采用光柵尺,材料失效判據(jù)為最大應(yīng)力的70%。水化學(xué)的控制方法如下：溶解氧通過(guò)氣體質(zhì)量流量控制器控制,用在線溶解氧儀檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率。隨后采用SEM對(duì)試樣斷口形貌進(jìn)行觀察分析,所用設(shè)備由上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心提供。

2 結(jié)果與討論

試樣在高溫氬氣和含不同溶解氧量的高溫水環(huán)境中的SSRT應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。試樣的SSRT試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of specimens

表1 試樣的SSRT試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of SSRT

從表1中可知,在高溫高壓水環(huán)境中,在含不同溶解氧量的情況下,試樣的屈服強(qiáng)度變化不明顯,但抗拉強(qiáng)度隨溶解氧量的增加而下降。從表1還可知,在高溫水環(huán)境中的試樣延伸率相對(duì)于在純氬中的都有不同程度的下降,表明在不同含氧量的高溫水環(huán)境中,試樣有不同程度的SCC傾向。試驗(yàn)后對(duì)斷口形貌進(jìn)行了SEM分析,見(jiàn)圖4。對(duì)于圖4（a）,斷口的中心與邊緣的區(qū)域都遍布韌窩微孔,展現(xiàn)出完全的塑性斷裂；而圖4（b）～（d）的斷口中心區(qū)域?yàn)轫g窩微孔,但邊緣區(qū)域有階梯狀開(kāi)裂形貌,為典型的穿晶開(kāi)裂特征。

隨著水中溶解氧量的增加,試樣的SCC傾向隨之增加,與不含溶解氧的超純水相比,試樣在含200μg/kg DO高溫水中的,SCC傾向變化特別明顯,而試樣在含200μg/kg DO與2 000μg/kg DO的高溫水中的SCC傾向輕微變化。通過(guò)對(duì)標(biāo)距段表面形貌的SEM分析,也得出了這一結(jié)果。圖5是在不同的高溫環(huán)境中試驗(yàn)后試樣的標(biāo)距段表面形貌。圖5（a）中的試樣標(biāo)距段表面有些許波紋；而圖5（b）中試樣標(biāo)距段表面出現(xiàn)了明顯的穿晶裂紋；圖5（c）與（d）的表面形貌非常相似,與圖5（b）相比,具有更細(xì)且密的階梯狀裂紋。這兩種不同大小和疏密程度的穿晶裂紋詳見(jiàn)圖6。

P.L.Andresen在研究不銹鋼的SCC裂紋擴(kuò)展速率時(shí),提出了腐蝕電位對(duì)SCC的影響［9-12］,結(jié)果顯示,隨著腐蝕電位的上升,在288℃的高純水中不銹鋼的SCC裂紋擴(kuò)展速率也隨之增加,當(dāng)溶解氧含量從0μg/kg變化到200μg/kg時(shí),腐蝕電位升高明顯,相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率的變化也隨之增大；而溶解氧含量從200μg/kg變化到2 000μg/kg時(shí),腐蝕電位的變化不大,因此裂紋擴(kuò)展速率變化也不大。

圖5 在不同環(huán)境中試驗(yàn)后試樣的標(biāo)距段表面形貌Fig.5 Morphology of gauge surface of specimens after testing in different environments

圖6 不同大小和疏密程度的穿晶裂紋Fig.6 Different sizes and densities of transgranular cracks（a） sparse distribution of thick cracks（b） dense distribution of thin cracks

對(duì)于本工作的現(xiàn)象,也符合這一機(jī)理,含溶解氧為200μg/kg的高溫水中,試樣的SCC傾向?yàn)楹?μg/kg溶解氧時(shí)的4.2倍,而含溶解氧為2 000μg/kg的高溫水中,試樣的SCC傾向僅為在含200μg/kg溶解氧中時(shí)的1.1倍。

3 結(jié)論

（1）在分別含0μg/kg、200μg/kg以及2 000μg/kg的不同溶解氧量的高溫水中,不銹鋼堆焊層呈現(xiàn)出不同程度的SCC傾向,且隨著溶解氧量的增加,SCC傾向越明顯。

（2）在含溶解氧為0～200μg/kg范圍內(nèi)的高溫水中,隨著溶解氧含量的變化,不銹鋼堆焊層的SCC傾向變化很大；而在含溶解氧為200～2 000μg/kg范圍內(nèi)的高溫水中,隨著溶解氧含量的變化,不銹鋼堆焊層的SCC傾向變化不大。

致謝：感謝壓水堆核電材料環(huán)境相容性研究重大專(zhuān)項(xiàng)（No.2011ZX0600400908）的支持。感謝上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心提供的微觀分析。

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