基于試樣重組技術(shù)的RPV鋼斷裂性能研究

黃 平， 祁 爽， 呂云鶴， 范敏郁， 賈文清， 錢王潔，蔡可信， 張晏瑋， 彭群家

(1. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004; 2. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引 言

現(xiàn)階段壓水堆核電機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器（reactor pressure vessel，RPV）的輻照監(jiān)督是通過(guò)在定期提取的監(jiān)督管內(nèi)（見(jiàn)圖1）放置一定數(shù)量的溫度測(cè)試裝置、力學(xué)性能測(cè)試試樣和劑量測(cè)試裝置，以確定RPV的輻照脆化狀況和運(yùn)行環(huán)境[1]。由于受輻照監(jiān)督管空間的限制，RPV鋼監(jiān)督樣品的尺寸和數(shù)量有限，致使基于大尺寸試樣的斷裂性能評(píng)價(jià)面臨極大困難。小試樣[2-3]測(cè)試技術(shù)和試樣重組技術(shù)[1]可有效利用殘樣開展RPV鋼的斷裂性能測(cè)試對(duì)于緩解輻照樣品不足的問(wèn)題具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 輻照監(jiān)督管在RPV中的位置示意

試樣重組技術(shù)研究歷時(shí)40來(lái)年，美國(guó)、日本、法國(guó)和俄羅斯等先后啟動(dòng)了長(zhǎng)周期科研攻關(guān)專項(xiàng)，逐步將之應(yīng)用于工程實(shí)踐（見(jiàn)表1），甚至形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在1992 年 ASTM 委員會(huì)發(fā)起了由10 個(gè)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室參與的夏比沖擊試樣重組技術(shù)比對(duì)研究項(xiàng)目，測(cè)得的最高溫度與焊接界面的距離關(guān)系[4]；在1998年歐洲第四框架研究計(jì)劃下的RESQUE 項(xiàng)目[5]中、1996 年日本 PLIM 計(jì)劃和2008 年保加利亞電子束焊接和激光焊接重組夏比試樣研究計(jì)劃中，測(cè)得的最高溫度—離焊接界面的位置關(guān)系[6]。目前運(yùn)行的VVER機(jī)組和壓水堆核電機(jī)組的RPV監(jiān)督試驗(yàn)還是以 RPV 材料沖擊性能來(lái)標(biāo)示韌脆轉(zhuǎn)變溫度的變化量，間接修訂斷裂韌性參考曲線，故以往研究材料仍然局限于夏比沖擊試樣。日本原子能機(jī)構(gòu)（JAEA）設(shè)計(jì)了Mini-CT試樣（尺寸規(guī)格：10 mm×10 mm×4 mm）可實(shí)現(xiàn)從夏比沖擊殘樣中二次取樣進(jìn)行輻照監(jiān)督材料的斷裂性能測(cè)試。雖然mini-CT試樣具有顯著的尺寸優(yōu)勢(shì)，但其過(guò)小尺寸致使加載銷釘選材難度大，且其較復(fù)雜的夾具安裝也不利于熱室等特殊環(huán)境下的材料斷裂性能測(cè)試。一方面，重組引起的裂尖約束效應(yīng)[2]不容忽視，另一方面，Mini-CT試樣與標(biāo)準(zhǔn)尺寸斷裂試樣的斷裂性能之間的有效關(guān)聯(lián)目前尚未能成功建立。

表1 試樣重組技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)例

眾所周知，材料斷裂韌性與溫度關(guān)系是RPV結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)重要輸入，基于全尺寸試樣（如0.5TCT試樣和尺寸更大的試樣）獲得RPV輻照脆化材料斷裂韌性數(shù)據(jù)最具代表性，故開展基于CT試樣重組技術(shù)的斷裂性能研究有助于精確評(píng)價(jià)當(dāng)前RPV 材料輻照脆化程度。若加工的試樣直接入堆再監(jiān)督，則可節(jié)約輻照時(shí)間，修訂RPV延壽期內(nèi)的輻照監(jiān)督計(jì)劃，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

試樣重組技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于在重組過(guò)程中，研究材料的微觀組織和性能不發(fā)生變化，仍然具有代表性，另一方面，用于試樣重組的材料塑性變形較小[1]。本文通過(guò)試驗(yàn)獲得國(guó)產(chǎn)RPV材料16MND5的化學(xué)成分、金相組織、維氏硬度、拉伸及沖擊力學(xué)性能，基于0.5T-CT試樣開展斷裂韌性試驗(yàn)時(shí)利用數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation, DIC）技術(shù)獲取試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面應(yīng)變演化規(guī)律和塑性區(qū)范圍，基于有限元分析軟件計(jì)算了加載過(guò)程中最大塑性區(qū)范圍，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，確定試樣重組確定其可再次利用的材料范圍，為試樣重組技術(shù)在斷裂力學(xué)測(cè)試上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料基本力學(xué)性能

1.1 化學(xué)成分與金相檢驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)的材料為國(guó)產(chǎn)16MND5鋼鍛件，其制造流程為煉鋼、鑄錠、鍛造、鍛后熱處理等。其中鍛造階段經(jīng)過(guò)鐓粗、拔長(zhǎng)、擴(kuò)孔，最后的鍛造比為6.2。采用HQ-4B智能碳硫分析儀、722分光光度計(jì)、WFX-H1原子吸收分光光度計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試。將實(shí)測(cè)后的國(guó)產(chǎn)RPV鋼16MND5的化學(xué)成分列在表2中。

表2 國(guó)產(chǎn)16MND5的實(shí)測(cè)化學(xué)成分wt.%

試樣經(jīng)過(guò)金相砂紙粗磨→細(xì)磨→機(jī)械拋光，在Axiovert數(shù)碼顯微鏡下觀察進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，然后在另一個(gè)面重復(fù)上述流程并在機(jī)械拋光后采用4%的硝酸酒精侵蝕，觀察原始組織。

圖2表示的國(guó)產(chǎn)16MND5在放大倍數(shù)為200倍和500倍下的金相組織。在光學(xué)顯微鏡下，16MND5的組織主要為粒狀貝氏體。而粒狀貝氏體又由板條狀貝氏體鐵素體基體和島狀組織組成。其中，部分板條狀貝氏體鐵素體呈現(xiàn)多邊化，這是由于回火過(guò)程中板條內(nèi)位錯(cuò)密度降低的同時(shí)產(chǎn)生了位錯(cuò)攀移。島狀組織則優(yōu)先沿原奧氏體晶界分布。

圖2 16MND5金相顯微組織

1.2 維氏硬度

母材宏觀硬度采用維氏硬度，以正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。本試驗(yàn)采用小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)，載荷為5 kg的力。其結(jié)果如表3所示。

表3 國(guó)產(chǎn)16MND5維氏硬度值HV

材料的維氏硬度值分布在180 HV左右，計(jì)算其平均值為182.3 HV。

1.3 單軸拉伸性能與沖擊性能

針對(duì)國(guó)產(chǎn)16MND5鋼鍛件，采用Φ6.25 mm等直圓棒拉伸試樣在100 kN AG-IC島津電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上開展拉伸試驗(yàn)，采用10 mm×10 mm×55 mm V型缺口的夏比沖擊試樣在Zwick RKP 450儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成沖擊試驗(yàn)。圖3為20 ℃和350 ℃條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，可見(jiàn)350 ℃下材料無(wú)明顯的屈服平臺(tái)。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率列于表4中。依據(jù)RCC-M規(guī)范中夏比沖擊試驗(yàn)指標(biāo)要求，對(duì)應(yīng)完成20 ℃、0 ℃和–20 ℃下材料的沖擊試驗(yàn)，表5給出不同溫度下沖擊性能，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的分散性，但滿足RCC-M規(guī)范要求。

表4 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 單軸拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線

2 斷裂性能測(cè)試與分析

2.1 試樣與設(shè)備

斷裂試驗(yàn)采用厚度B為12.5 mm的0.5T-CT試樣，試樣構(gòu)型尺寸如圖4所示。在MTS809 25 kN電液伺服材料試驗(yàn)上開展電液伺服試驗(yàn)機(jī)上疲勞預(yù)制裂紋1.5 mm，后通過(guò)單試樣柔度法開展斷裂試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的靜載荷檢定滿足JJG 556—2011《軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)》要求，其系統(tǒng)誤差不大于±1%，偏差不大于1%。裂紋嘴張開位移通過(guò)COD引伸計(jì)MTS632.02F-20獲得，其標(biāo)距為6 mm、量程為–1～4 mm，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)過(guò)程中采用位移控制。

圖4 斷裂韌性測(cè)試0.5T-CT試樣構(gòu)型和尺寸（單位：mm）

為了獲取試樣試驗(yàn)后可用于重組試樣的范圍，即塑性區(qū)以外的范圍，室溫試驗(yàn)過(guò)程中采用德國(guó)GOM公司三維光學(xué)動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試[14-15]系統(tǒng)ARAMIS，測(cè)量0.5T-CT試樣表面應(yīng)變。測(cè)試前，需在試樣表面制作出形狀不一、大小均勻、便于識(shí)別的散斑。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于單試樣柔度法獲得室溫和低溫工況下母材的斷裂韌性結(jié)果列于表6。

表6 母材斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果

采用ARAMIS系統(tǒng)測(cè)量了試樣表面應(yīng)變場(chǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中裂紋尖端小范圍屈服到裂紋尖端出現(xiàn)明顯塑性區(qū)直至試驗(yàn)結(jié)束，最終獲得試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面0.2%塑性應(yīng)變區(qū)域最大時(shí)刻試樣表面塑性應(yīng)變分布如圖5～圖7所示?？梢?jiàn)，3個(gè)試樣塑性應(yīng)變小于0.2%區(qū)域均約為22.9 mm×7.30 mm×12.5 mm，即該區(qū)域的材料可以作為重組試樣材料復(fù)用。

圖5 基于DIC獲得1#試樣表面應(yīng)變?cè)茍D

圖7 基于DIC獲得3#試樣表面應(yīng)變?cè)茍D

3 有限元分析

3.1 有限元網(wǎng)格模型

圖6 基于DIC獲得2#試樣表面應(yīng)變?cè)茍D

基于有限元分析軟件建立0.5T-CT試樣二維網(wǎng)格模型如圖8所示。網(wǎng)格模型共含2 612個(gè)Plane 183單元，且為平面應(yīng)變狀態(tài)，材料的力學(xué)性能采用拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。采用位移加載，模擬試驗(yàn)過(guò)程。試驗(yàn)加載過(guò)程中，其遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果不受試樣表面裂紋尖端小范圍區(qū)域散斑發(fā)生畸變、撕裂影響。提取試樣表面塑性應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖9所示，計(jì)算可得未發(fā)生屈服區(qū)域約為21.9 mm×7.37 mm×12.5 mm，即該區(qū)域材料性能仍可以表征母材材料斷裂性能，有限元分析結(jié)果與DIC測(cè)試結(jié)果較為吻合。

圖8 有限元網(wǎng)格模型

圖9 有限元分析獲得應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)果與討論

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)RPV材料16MND5進(jìn)行拉伸、沖擊、金相檢驗(yàn)及維氏硬度測(cè)試，由拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知該材料拉伸性能較為穩(wěn)定；室溫條件下材料沖擊功在211.0～251.0 J范圍內(nèi)，0 ℃下沖擊功在175.5～207.0 J范圍內(nèi)，–20 ℃下沖擊功在171.5～197.0 J范圍內(nèi)，沖擊性能存在一定的分散性；由金相組織檢驗(yàn)可知16MND5材料組織為粒狀貝氏體；材料維氏硬度值較均勻，平均值182.3 HV?；贒IC技術(shù)測(cè)試斷裂試驗(yàn)過(guò)程中的塑性區(qū)范圍約7.70 mm，通過(guò)有限元模擬獲得加載過(guò)程中塑性區(qū)最大尺寸為7.63 mm。結(jié)果表明，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而確定了試件重構(gòu)技術(shù)的可重復(fù)使用材料范圍22.9 mm×7.30 mm×12.5 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)試樣重組技術(shù)可行性的探討，初步確定基于0.5T CT斷裂殘樣用于重組試樣的有效范圍。后續(xù)需探討不同的焊接方式對(duì)重組試樣的影響，進(jìn)一步對(duì)重組后試樣斷裂性能進(jìn)行測(cè)試，開展基于重組0.5T-CT試樣獲得斷裂性能與基于國(guó)產(chǎn)16MND5母材獲得的斷裂特性的關(guān)聯(lián)性研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重組試樣對(duì)母材斷裂特性的有效表征，有效解決RPV輻照監(jiān)督樣品不足的實(shí)際工程難題，若加工的試樣直接入堆再監(jiān)督，則可節(jié)約輻照時(shí)間，修訂 RPV 延壽期內(nèi)的輻照監(jiān)督計(jì)劃。