陳凱，杜東海，陸輝，張樂福

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

核電汽輪機轉(zhuǎn)子腐蝕疲勞裂紋的擴展行為

陳凱，杜東海，陸輝，張樂福

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

采用直流電壓降（DCPD）法測量了核電汽輪機轉(zhuǎn)子材料在157℃除氧超純水和含0.1％（質(zhì)量分數(shù)）NaCl超純水中的腐蝕疲勞裂紋擴展速率。采用Priddle模型對試驗結(jié)果進行擬合，得到材料在不同腐蝕環(huán)境中的門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth和斷裂強度Kc。結(jié)果表明：氯離子對核電汽輪機轉(zhuǎn)子材料疲勞裂紋擴展有明顯加速作用，可用陽極溶解-膜破裂理論解釋；DCPD測得的裂紋長度與斷口實際裂紋長度吻合較好，表明試驗結(jié)果是準確的。

汽輪機轉(zhuǎn)子；腐蝕疲勞；Priddle模型；氯離子

核電汽輪機轉(zhuǎn)子有多級葉輪在濕蒸汽和高應(yīng)力環(huán)境中工作，部分葉輪和葉根榫槽表面存在凝結(jié)液滴液膜或溶液干涸殘留物，從而形成腐蝕環(huán)境。同時，汽輪機轉(zhuǎn)子葉片和榫槽等結(jié)構(gòu)承受著較高的靜、動載荷，在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生腐蝕疲勞，誘發(fā)核電汽輪機事故［1-2］。因此，研究核電汽輪機轉(zhuǎn)子材料在腐蝕環(huán)境中的腐蝕疲勞行為，評估其結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性對于核電汽輪機的安全運行至關(guān)重要。

本工作以某國產(chǎn)核電低壓汽輪機轉(zhuǎn)子材料為研究對象，采用直流電壓降（DCPD）［3-5］法實時測量裂紋擴展速率，研究材料在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕疲勞裂紋擴展速率，并采用模型擬合預(yù)測材料在不同工況下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料取自上海電氣生產(chǎn)的國內(nèi)某核電廠低壓汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼，其主要化學(xué)成分為：wNi3.375％，wCr1.751％，wMo0.687％，wMn0.352％，wSi0.087％，wV0.076％，wP0.015％，wC0.274％，wS0.002％，余量為鐵。腐蝕疲勞裂紋擴展試驗采用ASTM－E399推薦的標準緊湊拉伸試樣（CT），尺寸見圖1，試樣厚度為0.5T（1.27 cm）。為了引導(dǎo)疲勞裂紋沿著垂直于加載的方向擴展，同時避免產(chǎn)生裂紋分支，需在試樣裂紋擴展面的兩側(cè)分別加工出深度均為5％厚度的側(cè)槽。

1.2 試驗條件

核電汽輪機轉(zhuǎn)子的腐蝕環(huán)境為低壓轉(zhuǎn)子的濕蒸汽環(huán)境，在外力載荷作用下，這種濕蒸汽環(huán)境會加速金屬材料的裂紋擴展速率，對核電汽輪機低壓轉(zhuǎn)子的壽命有較大的影響。某核電低壓汽輪機轉(zhuǎn)子材料工作環(huán)境為除氧157℃，并伴有微量氯離子。因此，本工作考慮了2種工作環(huán)境，見表1。

表1 腐蝕疲勞試驗環(huán)境Tab.1 Experimental environments of corrosion fatigue

1.3 試驗方法

試驗依據(jù)ASTM－E647疲勞測試標準來測量材料的腐蝕疲勞裂紋擴展速率。用上海百若公司生產(chǎn)的FCC-50腐蝕疲勞裂紋試驗機（最大載荷50 k N）進行腐蝕疲勞裂紋擴展試驗，加載方式采用恒定最大應(yīng)力強度因子（Kmax）的方法，疲勞頻率f＝1 Hz、載荷比R（Kmin／Kmax）＝0.3。

采用DCPD方法進行裂紋長度在線連續(xù)測量，其原理見圖2。在CT試樣的上下兩端對稱位置通入高穩(wěn)定的直流電（1.5 A），并在試樣開口前端的兩側(cè)測量電勢差。當試樣的裂紋在載荷的作用下向前擴展時，試樣的電阻會發(fā)生微小變化，引起裂紋尖端兩側(cè)電勢差的微小變化，采用高分辨率數(shù)字集成電壓表拾取該電勢差值并記錄在程序中，通過有限元模擬推算出該電勢差值對應(yīng)的裂紋擴展長度，從而計算出任意載荷條件下的裂紋擴展速率。DCPD方法測得的裂紋擴展速率具有較高的可重復(fù)性，測量數(shù)據(jù)波動較小，且可測量的速率范圍很廣，即使在較低的裂紋擴展速率條件下仍具有較高的分辨率和靈敏度［6］。此外，DCPD法測得的裂紋長度與試驗后實際斷口的裂紋長度吻合較好，通常DCPD測量值比實際值小5％～20％，這種偏差可以在試驗結(jié)束后通過對數(shù)據(jù)進行處理校正而消除，并不影響實際裂紋擴展速率的采集和計算。

試驗結(jié)束后，采用高頻高載荷比的循環(huán)載荷將試樣拉開，測量實際斷口的裂紋長度，并與DCPD測得的裂紋長度比較，同時觀察腐蝕疲勞斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕疲勞裂紋擴展速率

試驗過程中先采用較大的載荷（Kmax＝20 MPa·）預(yù)制疲勞裂紋，接著逐漸降低載荷，使裂紋擴展速率低于10－7mm／s，根據(jù)ASTM－E647疲勞測試標準，此時的載荷ΔK即為該環(huán)境中材料的門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth。然后逐漸升高載荷，材料的腐蝕疲勞裂紋擴展速率迅速升高。

對腐蝕疲勞裂紋擴展曲線進行擬合，得到不同應(yīng)力強度因子下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率，做出lg（d a／d t）和lg（ΔK）曲線，腐蝕疲勞裂紋擴展速率結(jié)果如圖3所示。

對lg（d a／d t）和lg（ΔK）進行擬合，建立腐蝕裂紋擴展模型，可以求出腐蝕疲勞裂紋擴展的門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth和Kc。對此，Priddle提出了如下模型，見式（1）：

采用式（1）對圖3的裂紋擴展速率進行擬合，可以得到試樣在2種環(huán)境中的門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth和Kc，如表2所示。

表2 試樣在2種腐蝕環(huán)境中的ΔKth和KcTab.2 ΔKthand Kcof sample obtained from two experimental conditions

由圖3可見，ΔK較低時，腐蝕疲勞裂紋擴展速率較低，這是因為此時的腐蝕疲勞裂紋擴展處于裂紋萌生期，存在一個門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth，當載荷低于此門檻值時，即ΔK≤ΔKth，腐蝕疲勞裂紋擴展很慢或基本不擴展。

升高ΔK，疲勞裂紋進入亞臨界擴展區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，裂紋擴展速率d a／d t與ΔK服從Paris公式［7-9］：

當ΔK較大時，Paris公式表明，在亞臨界擴展區(qū)，lg（d a／d t）與lg（ΔK）呈線性關(guān)系。由圖3中可見，腐蝕疲勞裂紋擴展速率lg（d a／d t）與lg（ΔK）基本呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，腐蝕疲勞裂紋擴展進入穩(wěn)定區(qū)。

若再進一步提高ΔK，疲勞裂紋擴展速率迅速增加，疲勞裂紋擴展進入失穩(wěn)斷裂區(qū)，此時疲勞裂紋擴展速率非?？?，腐蝕介質(zhì)來不及作用，疲勞裂紋基本為純機械疲勞破壞。在此階段，疲勞擴展存在一個失穩(wěn)斷裂的應(yīng)力強度因子Kc，也稱為材料的斷裂韌性Kc，當ΔK大于Kc時，即ΔK≥Kc（1－R），疲勞裂紋迅速增加，材料開始失穩(wěn)斷裂，并迅速破壞。

2.2 腐蝕對裂紋擴展速率的影響

疲勞破壞的本質(zhì)是材料內(nèi)部位錯在交變應(yīng)力的作用下往復(fù)滑移，這些滑移在材料基體內(nèi)部不斷積累形成了疲勞裂紋。位錯在晶體內(nèi)部運動滑移時會遇到各種阻礙，但當外加交變應(yīng)力超過這些阻礙所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力時，位錯就會在外加應(yīng)力的作用下產(chǎn)生滑移。在無腐蝕性的介質(zhì)中，如超純水中，由于阻礙所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，位錯滑移所需要的外加應(yīng)力也相應(yīng)較大，因此試樣在條件A中的ΔKth較大，疲勞裂紋擴展速率較慢。

條件B中，由于氯離子的加入，疲勞裂紋擴展速率明顯加快。氯離子對裂紋擴展速率的加速作用可以用陽極溶解-膜破裂理論來解釋。

在去氧的氯化物中，有如下反應(yīng)［10-12］：

在交變應(yīng)力的作用下，裂紋尖端存在應(yīng)力集中，位錯在滑移過程中會不斷堆積，并在材料表面產(chǎn)生滑移臺階，從而將表面氧化膜撕裂，并暴露出活潑的“新鮮”金屬，使之成為新的活性陽極，形成大陰極小陽極的腐蝕電池［10-13］，有利于無膜的局部區(qū)域發(fā)生電化學(xué)溶解。在此過程中，由于氯離子很強的穿透作用和吸附能力，氯離子與暴露在外的新鮮金屬發(fā)生陽極溶解，使裂紋前端具有非常大的溶解速率，加速裂紋擴展速率。

伴隨陽極溶解過程產(chǎn)生了陽極極化，這使陽極周圍鈍化，在蝕坑周圍重新生成鈍化膜。即位錯停止沿滑移面的滑移，造成位錯重新開始堆積。隨后在應(yīng)力持續(xù)作用下，蝕坑底部由于應(yīng)力集中使表面膜再次破裂，造成新的活性陽極區(qū)，加速活性溶解。如此交替作用，使腐蝕疲勞破裂不斷向裂紋前沿發(fā)展，造成縱深的裂紋，直至材料斷裂［14］。

在較低的應(yīng)力強度因子作用下，材料在氯離子環(huán)境中的疲勞裂紋擴展速率遠高于在純水中的，約是在純水中的1.4倍。隨著載荷的升高，這種差距逐漸減小，ΔK較高時，兩種條件下的疲勞裂紋擴展速率差別很小。這是因為ΔK較低，由于材料的疲勞裂紋擴展速率較慢，裂紋尖端暴露在腐蝕環(huán)境中的時間也相對較長，氯離子對尖端裂紋金屬溶解的加速作用更明顯，此時腐蝕作用在疲勞裂紋擴展中占據(jù)主導(dǎo)；而隨著ΔK升高，機械疲勞破壞增加，裂紋擴展速率明顯加快，氯離子對裂紋尖端金屬溶解的加速作用變小，此時機械疲勞破壞占據(jù)主導(dǎo)，腐蝕介質(zhì)對裂紋擴展的貢獻較小。

2.3 微觀分析及斷口分析

由圖4可見，在純水環(huán)境中，試樣斷口表面可觀察到明顯的疲勞輝紋，并伴有較多的微小二次裂紋；斷口表面均勻分散著一層直徑約為1μm的氧化物顆粒；在含0.1％NaCl環(huán)境中，斷口表面有大量的二次裂紋，斷口表面被一層氧化物所覆蓋，氧化物顆粒直徑小于0.1μm。斷口及二次裂紋均為穿晶裂紋。

比較試樣在兩種環(huán)境中的斷口形貌，可以明顯觀察到，由于氯離子的作用，試驗條件B下的斷口有較多的二次裂紋，并且氧化物顆粒更加細小，這與陽極溶解-膜破裂理論相吻合。

試驗結(jié)束后，采用高頻率高載荷比的循環(huán)載荷將試樣拉斷，觀察斷口形貌，見圖5?？梢钥吹皆嚇拥牧鸭y前端相對平直，采用游標卡尺測量腐蝕疲勞斷口實際長度，并與DCPD測得的裂紋長度相比較，結(jié)果見表3。由于水的導(dǎo)電性，在兩種試驗條件下，裂紋尖端被水環(huán)境包圍，并伴有離子濃縮，電導(dǎo)率升高，導(dǎo)致DCPD測得的裂紋長度始終都小于實際裂紋長度，但這種偏差可以在試驗結(jié)束后通過對數(shù)據(jù)的調(diào)整而被修正，并不影響真實的裂紋擴展速率。Chin［10］提到，在大部分DCPD裂紋長度測試方法中，由于裂紋尖端的環(huán)境介質(zhì)粘合會使得DCPD測量信號存在5％～20％的偏差，為此試驗中心采用的DCPD方法測得的裂紋長度比較準確。

表3 DCPD測得裂紋長度與斷口實際裂紋長度比較Tab.3 Comparison between crack length obtained by DCPD and actual crack length

3 結(jié)論

（1）材料的腐蝕疲勞裂紋擴展可以分為萌生區(qū)、亞臨界擴展區(qū)和失穩(wěn)斷裂區(qū)。通過Priddle模型對裂紋擴展速率曲線擬合，可以明顯劃分出這三個區(qū)域，并預(yù)測得到門檻應(yīng)力強度因子幅值ΔKth和失穩(wěn)斷裂的應(yīng)力強度因子Kc。

（2）氯離子對核電汽輪機轉(zhuǎn)子材料的腐蝕疲勞有明顯加速作用，由于氯離子的存在，材料的ΔKth和Kc均明顯下降。氯離子對裂紋擴展速率的加速作用可以用陽極溶解-膜破裂理論來解釋。在實際運行工況下應(yīng)盡量降低氯離子的含量。

（3）對于材料在腐蝕環(huán)境中的疲勞破壞，載荷和裂紋擴展速率較低時，腐蝕作用占主導(dǎo)；載荷和裂紋擴展速率較高時，機械破壞占主導(dǎo)。

（4）SEM斷口形貌表明，該材料的疲勞破壞形式為穿晶斷裂。DCPD測得的裂紋長度與實際斷口裂紋長度偏差均在15％以內(nèi)，能較好地反映實際裂紋擴展情況。

致謝：感謝上海交通大學(xué)分析測試中心對本試驗微觀分析的支持。

［1］ SUN Y J，LIU X Q，HU L S，et al.Online life estimation for steam turbine rotor［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2013，26（1）：272-279.

［2］ OSGERBY S.2-Steam turbines：operating conditions，components and material requirements［M］.US：Woodhead Publishing Series in Energy，2014：22-35.

［3］ SEOK C S，BAE B K，KOO J M.DC potential drop method for evaluating material degradation［J］.KSME international journal，2004，18（8）：1368-1374.

［4］ BOWLER N.Theory of four-point direct-current potential drop measurements on a metal plate［J］.Research in Nondestructive Evaluation，2006，17（1）：29-48.

［5］ MERAH N.Detecting and measuring flaws using electric potential techniques［J］.Journal of Quality in Maintenance Engineering，2003，9（2）：160-175.

［6］ ANDRESEN P L.Perspective and direction of stress corrosion cracking in hot water［C］／／Proc Tenth Int Symp on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactors.［S.l.］：NACE，2001.

［7］ CHOPRA O K，RAO A S.A review of irradiation effects on LWR core internal materials-IASCCsusceptibility and crack growth rate of austenitic stainless steels［J］.Journal of Nuclear Materials，2011（409）：235-256.

［8］ ANDERSON T L.Fracture mechanics：fundamentals and applications［M］.Cleveland：CRC Press，2005.

［9］ PARIS P C，ERDOGAN F.A critical analysis of crack propagation laws［J］.Journal of Basic Engineering，1963，85（4）：528-533.

［10］ WENDT J L，CHIN D T.The a.c.corrosion of stainless steel-II.The breakdown of passivity of ss304 in neutral aqueous solutions［J］.Corrosion Science，1985，25（10）：889-900.

［11］ SCULLY J C，POWELL D T.The stress corrosion cracking mechanism ofα-titanium alloys at room temperature［J］.Corrosion Science，1970，10（10）：719-733.

［12］ PARKIND R N，GREENWELL B S.The interface between corrosion fatigue and stress-corrosion cracking［J］.Metal Science，1977，11（8／9）：405-413.

［13］ STAEHLE R W，ROYUELA JJ，RAREDON T L，et al.Effect of alloy composition on stress corrosion cracking of Fe-Cr-Ni base alloys［J］.Corrosion，1970，26（11）：451-486.

［14］ 戴哲峰.316L不銹鋼在復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕試驗研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

Corrosion Fatigue Crack Growth Behavior of Nuclear Power Turbine Rotor

CHEN Kai，DU Dong-hai，LU Hui，ZHANG Le-fu
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Corrosion fatigue crack growth rates of nuclear power turbine rotor materials were measured at 157℃in ultrapure deoxygenated water and ultrapure deoxygenated water containing 0.1％（mass）NaCl separately，based on direct current potential drop（DCPD）method.Results was fitted by Priddle model，thus the threshold of stress intensity factor amplitudeΔKthand fracture toughness Kcwere obtained.Results showed that chloridion had acceleration effect on the fatigue crack growth rates of nuclear power turbine rotor materials.The crack length obtained by DCPD agreed well with the real fracture crack length，which showed good veracity of results.

turbine rotor；corrosion fatigue；Priddle model；chloridion

TG174

：A

：1005-748X（2016）11-0887-05

10.11973／fsyfh-201611006

2015-06-02

大型先進壓水堆核電站重大專項子項目資助（2011ZX0600400908）

張樂福，副教授，博士生導(dǎo)師，從事核電材料腐蝕與防護相關(guān)研究，021-34205099，Lfzhang＠sjtu.edu.cn.