華龍一號反應(yīng)堆壓力容器材料高溫性能試驗研究

楊立才 羅英 邱天 鄭浩 曾鵬

摘 要目前對于華龍一號反應(yīng)堆壓力容器用國產(chǎn)16MND5材料，缺少堆芯熔融條件下的高溫性能數(shù)據(jù)。本論文利用取自華龍一號反應(yīng)堆壓力容器下封頭延伸段的國產(chǎn)16MND5材料，開展了一系列高溫彈性、拉伸及持久試驗，獲得了16MND5材料的高溫彈性、拉伸、持久性能數(shù)據(jù)及變化規(guī)律;同時采用最小二乘法，結(jié)合高溫持久試驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)獲得了不同溫度下的持久強(qiáng)度方程。結(jié)果表明：16MND5材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低，在900℃至1000℃區(qū)間，材料已進(jìn)入軟化狀態(tài)，其變化漸緩;此外，在600℃至700℃、900℃至1050℃溫度區(qū)間，16MND5材料在同一斷裂時間的持久強(qiáng)度隨溫度升高而降低，但在組織相變溫度區(qū)間（即750℃至850℃），持久強(qiáng)度方程斜率關(guān)系為800℃>750℃> 850℃，且該三個溫度下的持久強(qiáng)度在斷裂時間約為5小時時存在相交情況。

關(guān)鍵詞嚴(yán)重事故;國產(chǎn)16MND5材料;高溫拉伸;持久強(qiáng)度

0 引言

為應(yīng)對美國三哩島和日本福島核電站類似的堆芯熔化嚴(yán)重事故，以華龍一號（HPR1000）和AP1000為代表的三代核電采用了堆內(nèi)熔融物滯留（IVR）的先進(jìn)設(shè)計理念。即在發(fā)生堆芯熔融時，通過能動或非能動的方式將冷卻水注入反應(yīng)堆壓力容器（RPV）與壓力容器保溫層的間環(huán)形流道，冷卻RPV外壁面以帶走堆內(nèi)熔融物的熱量，避免RPV下封頭熔穿，從而達(dá)到將堆內(nèi)熔融物包容在RPV內(nèi)部的目的。在嚴(yán)重事故條件下， RPV下封頭材料可能會承受約500℃-1200℃的高溫，同時承受內(nèi)壓、堆內(nèi)熔融物重量等載荷，因此，高溫蠕變是其主要的失效模式[1]。

為確保RPV下封頭在堆芯融化條件下的結(jié)構(gòu)完整性，需進(jìn)行高溫蠕變分析，首先需要獲得RPV下封頭材料高溫性能數(shù)據(jù)。目前，核電技術(shù)發(fā)達(dá)國家，如美國、法國等均開展過RPV材料高溫性能試驗。美國愛達(dá)荷州國家工程實驗室對RPV下封頭用SA533B1鋼在627℃-1200℃范圍進(jìn)行了拉伸和蠕變試驗，得到了該材料在1200℃以下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及蠕變斷裂時間等試驗數(shù)據(jù)[2]。法國原子能委員會采用法國RPV用16MND5鋼開展試驗，在20℃-1350℃范圍內(nèi)進(jìn)行拉伸試驗，在600℃-1300℃范圍進(jìn)行蠕變試驗[3]，并將試驗數(shù)據(jù)與三哩島中獲得的RPV鋼的力學(xué)性能進(jìn)行了比較。試驗結(jié)果表明，500℃-700℃間16MND5鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著下降，在700℃時的蠕變斷裂時間和三哩島所得數(shù)據(jù)基本相同，但高于1000℃后兩者數(shù)據(jù)差異較大，16MND5的性能數(shù)據(jù)相對較好。國內(nèi)在建核電站中，RPV下封頭材料16MND5和SA508 Gr.3 Cl.1均有使用。上海核工程研究設(shè)計院等單位合作完成了SA508 Gr.3 Cl.1鋼的高溫蠕變性能試驗[1]，試驗溫度范圍在450℃-1000℃，獲得了對應(yīng)溫度下的等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

目前，對于華龍一號RPV下封頭用國產(chǎn)16MND5鋼開展的高溫性能試驗未見報道，相關(guān)的下封頭高溫蠕變分析[4-5]采用國外文獻(xiàn)中的材料試驗數(shù)據(jù)。因此，本文針對華龍一號反應(yīng)堆壓力容器下封頭用國產(chǎn)16MND5鋼進(jìn)行高溫試驗，獲取該材料的高溫彈性性能、高溫拉伸性能、高溫持久強(qiáng)度等試驗數(shù)據(jù)及其隨溫度的變化規(guī)律，從而為后續(xù)進(jìn)行堆芯融化嚴(yán)重事故條件下RPV下封頭高溫蠕變分析提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料

試驗用16MND5材料取自采用華龍一號技術(shù)的福清5號RPV下封頭鍛件延伸段，見圖1。福清5號RPV下封頭遵循RCC-M M2131的要求制造，鍛造后相繼進(jìn)行900℃-980℃的正火、600℃-700℃的回火、850℃-925℃的淬火以及635℃-665℃的回火熱處理，并進(jìn)行各項試驗和檢驗，其化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 高溫彈性性能測試

高溫彈性性能測試包括楊氏模量、剪切模量和泊松比的測定，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22315-2008進(jìn)行[6]，從室溫至1000℃間隔50℃測量。楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量，泊松比是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，通常在進(jìn)行設(shè)備力學(xué)分析時需要輸入這兩項參數(shù)，本試驗?zāi)康募传@得該材料高溫下的楊氏模量和泊松比。

彈性性能的測試采用動態(tài)測量方法-敲擊共振法，即通過觸發(fā)敲擊使樣品產(chǎn)生振動，探測系統(tǒng)采集的振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得其共振頻率，經(jīng)計算得到試樣的彈性性能。測試裝置為比利時IMCE公司生產(chǎn)RFDA HTVP 1750-C，在此設(shè)備上可同時完成以上各項彈性性能的測試和計算。

圖2是試驗測得楊氏模量隨溫度變化的情況，并與RCC-M和ASME規(guī)范給出的數(shù)據(jù)對比。RCC-M 附錄ZⅠ中給出了C-Mn-Ni-Mo鋼從0℃至600℃的楊氏模量值，ASME第Ⅱ卷給出了鎳鋼從-200℃至700℃的楊氏模量值?？梢钥吹饺M數(shù)據(jù)隨溫度升高而楊氏模量值降低的趨勢是相同的，由于化學(xué)成分差異，國產(chǎn)16MND5鋼的數(shù)據(jù)略高一點。

對于16MND5材料，一般認(rèn)為其泊松比為0.3。圖3是試驗測得泊松比隨溫度變化的情況，可以看到在400℃以下泊松比在0.29-0.30變化很小，這與RPV設(shè)計溫度343℃范圍內(nèi)泊松比是一個定值的預(yù)期相符;在400℃以上，泊松比有逐漸增大的趨勢。

2.2 高溫拉伸試驗

高溫拉伸試驗從600℃至1200℃間隔50℃測量，分別測量其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率，試驗依據(jù)GB/T 4338-2006進(jìn)行[7]。圖4是試驗測得抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度變化情況，600℃以上16MND5鋼抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨溫度升高而下降較快，在900℃至1000℃因材料已進(jìn)入軟化狀態(tài)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化漸緩。

圖5是斷后伸長率隨溫度變化情況，圖6是斷面收縮率隨溫度變化情況。圖4中的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值在每個溫度點的3組結(jié)果相差不大，但每個溫度點的斷后伸長率數(shù)據(jù)則相對離散。從圖5和圖6的總體趨勢來看，斷后伸長率和斷面收縮率在600℃-800℃逐漸升高，800℃-1000℃達(dá)到最大值。

2.3 高溫持久試驗

高溫持久試驗從600℃至1050℃間隔50℃進(jìn)行測量，每個溫度點選擇4-7個不同的恒定應(yīng)力值，直至測出斷裂時間，試驗依據(jù)GB/T 2039-2012進(jìn)行[8]。

對于每個恒定的溫度點，根據(jù)先前的大量高溫蠕變理論及試驗研究結(jié)果可知，鋼材蠕變斷裂時間與持久強(qiáng)度兩者的對數(shù)呈線性關(guān)系，即：

表2中給出了各個溫度下常數(shù)a，b的擬合值。由表2可知，600℃至700℃、900℃至1000℃持久強(qiáng)度方程的a值隨溫度升高而減小， 而750℃、800℃和850℃三個持久強(qiáng)度方程的a值為a800℃>a750℃> a850℃。圖7為不同溫度下測得的持久試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7，在同一斷裂時間的持久強(qiáng)度隨溫度升高而降低。但750℃、800℃和850℃下的持久強(qiáng)度值在約5小時左右存在相交情況，斷裂時間大于5小時時，持久強(qiáng)度σ800℃>σ750℃>σ850℃。該情況出現(xiàn)的原因是在該溫度區(qū)間，試樣材料處于貝氏體回火組織向奧氏體過渡的兩相組織狀態(tài)。

3 總結(jié)

本文采用取自福清5號RPV下封頭延伸段材料，對國產(chǎn)16MND5鋼的高溫性能開展試驗研究：

（1）獲得了國產(chǎn)16MND5鋼材料的楊氏模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等在高溫階段的試驗數(shù)據(jù)及隨溫度的變化規(guī)律。

（2）通過高溫持久試驗獲得了不同溫度下的持久強(qiáng)度-斷裂時間數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法獲得了不同溫度下的持久強(qiáng)度方程。

（3）16MND5材料在600℃至700℃、900℃至1050℃持久強(qiáng)度方程的斜率絕對值隨溫度升高而減小，但在組織相變溫度區(qū)間（即750℃至850℃），斜率關(guān)系為a800℃>a750℃> a850℃，且該三個溫度下的持久強(qiáng)度在斷裂時間約為5小時時存在相交情況。

參考文獻(xiàn)

[1]姚彥貴，寧冬，武志瑋，等.假想堆芯熔化嚴(yán)重事故下反應(yīng)堆壓力容器完整性的研究進(jìn)展與建議[J].核技術(shù)，2013，36（4）：040615-1-6.

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[6]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 22315-2008，金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 4338-2006，金屬材料高溫拉伸試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[8]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 2039-2012，金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.