鐵素體鋼在rpv結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鐵素體鋼在rpv結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1斷裂韌性的計算方法master曲線法是一種描述鋼作為鐵的新方法，在岸廳底板和斷裂帶的變形行為方面提供了解決方案，并在評估沉積壓力容器結(jié)構(gòu)（epv）結(jié)構(gòu)的完整性方面得到了成功的應(yīng)用。該方法基于最弱鏈統(tǒng)計理論和3參數(shù)Weibull分布模型,將斷裂韌性分布、尺寸效應(yīng)和溫度有效地聯(lián)系起來,僅用一個特征參量——韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的參考溫度T0來描述斷裂韌性與溫度的關(guān)系曲線。建立在Master曲線基礎(chǔ)上的彈塑性中值斷裂韌性強度因子[KJc(med)]比線彈性斷裂韌性強度因子更適用:它不僅能夠在測試試樣尺寸較小時,給出彈塑性條件下的防脆性斷裂判據(jù),而且可以直接由輻照試樣測試獲得斷裂韌性數(shù)據(jù),不需要材料的初始斷裂韌性數(shù)據(jù)。國際上近來出臺的許多評價核電廠設(shè)備與管道壽命的技術(shù)規(guī)范或標準中都推薦KJc(med)方法,ASTM也專門制定了基于彈塑性斷裂力學(xué)和統(tǒng)計方法的Master曲線方法的相關(guān)標準E1921,計算RPV用低合金鋼的斷裂韌性。國內(nèi)在核電廠RPV老化管理方面的基礎(chǔ)技術(shù)研究不多,作為老化管理的基本數(shù)據(jù)和技術(shù)儲備,開展RPV用A508-Ⅲ鋼材料在韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的彈塑性斷裂韌性研究。2試驗方案和參數(shù)試驗材料為RPV用國產(chǎn)A508-Ⅲ鋼。采用的試樣類型為12.7mm緊湊拉伸試樣(0.5CT試樣)和帶有預(yù)制裂紋的夏比尺寸試樣(PCCv試樣)。圖1給出了2種試樣的結(jié)構(gòu)及尺寸,試樣的裂紋嘴位置均設(shè)計成燕尾槽結(jié)構(gòu),以便于安裝裂紋張開嘴位移(COD)引伸計,從而測量試樣的裂紋嘴張開位移。其中,0.5CT試樣的寬度厚度比(W/B)為2,由線切割加工的機械缺口長度為11.2±0.02mm;PCCv試樣的W/B為1,跨距寬度比(S/W)為4,由線切割加工的機械缺口長度為4mm。為保證至少有6個有效數(shù)據(jù),每種試樣擬采用9個試樣完成斷裂韌性試驗。試驗在MTS810100kN電液伺服試驗機上完成,控制系統(tǒng)為FlexTest60,試樣的裂紋嘴張開位移采用COD引伸計MTS632.02F-20測量,19JA型萬能工具顯微鏡用于測量試樣斷面的最終裂紋長度(af)。應(yīng)用MTS793.50標準斷裂力學(xué)軟件完成疲勞裂紋預(yù)制和準靜態(tài)斷裂韌性試驗的控制。0.5CT試樣配合專用U型夾具實現(xiàn)加載,PCCv試樣配合專用三點彎曲加載裝置實現(xiàn)加載,兩類試樣及夾具系統(tǒng)均置于GDX160低溫環(huán)境箱(-70~300℃)中,以實現(xiàn)真實低溫環(huán)境下的斷裂韌性試驗。低溫環(huán)境以調(diào)節(jié)環(huán)境箱內(nèi)的液氮填充量的方式控制試驗溫度,試驗溫度由testo922便攜溫度計進行測量。采用單溫度法進行試驗,試驗溫度為-50℃,試驗中控制溫度波動范圍為±0.2℃。3實驗與數(shù)據(jù)分析的方法3.1試樣的預(yù)制和加載為了獲得足夠尖銳的裂紋前緣,在室溫環(huán)境下應(yīng)用MTS793.50標準斷裂力學(xué)軟件,在MTS試驗機上對試樣預(yù)制疲勞裂紋。采用載荷控制方式進行疲勞加載,載荷比為0.1,采用等應(yīng)力強度因子幅值(ΔK)控制結(jié)合卸載柔度法實現(xiàn)預(yù)制的精確控制,既保證裂紋擴展驅(qū)動力均勻,還可確保裂紋尖端不出現(xiàn)大范圍屈服。預(yù)制后的試樣裂紋長度(a0)在0.45W~0.6W之間,預(yù)制循環(huán)數(shù)控制在30000~80000次范圍內(nèi)。預(yù)制疲勞裂紋結(jié)束后,將試樣連同加載裝置置于低溫環(huán)境箱內(nèi),根據(jù)ASTME1820-11標準采用卸載柔度法對試樣進行準靜態(tài)加載(采用卸載柔度法的目的在于監(jiān)測試樣的穩(wěn)定裂紋擴展量),加載速率為0.01mm/s。試驗中記錄試樣的載荷和裂紋嘴張開位移,當試樣出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂時停止加載。停止加載后,從試驗機上取下試樣快速將其壓斷后烘干,清理試樣斷口,用顯微鏡測量試樣的預(yù)制后a0和af。在厚度方向距離試樣表面0.01B之間等間隔取9個測量點讀取裂紋長度,并按式(1)計算平均裂紋長度:3.2主曲線c0試驗和pccv試驗根據(jù)主曲線法,用于描述鐵素體鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)應(yīng)力強度因子KJc分布情況的3參數(shù)Weibull概率模型為:式中,pf為當K≤KJc時的累積斷裂概率;b為形狀參數(shù),ASTME1921-09c標準推薦b=4;Kmin為Weibull分布位置參數(shù),標準推薦Kmin=20MPa·m1/2;K0為尺寸參數(shù),MPa·m1/2。單溫度法確定A508-Ⅲ鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)參考溫度T0的數(shù)據(jù)處理按照以下流程進行:(1)從載荷P-裂紋嘴張開位移V0試驗曲線上選取載荷突降點作為解理斷裂發(fā)生的時刻,參照ASTME1820-11標準計算解理斷裂時的斷裂韌性Jc:式中,Je為彈性功貢獻的斷裂韌性,MPa·m;Jp為塑性功貢獻的斷裂韌性,MPa·m;v為泊松比;Ap為塑性功,Ap=A-C0P2,C0=△V/△P,C0為載荷-位移曲線彈性部分的斜率,A為總功,P為載荷;E為彈性模量。式(3)中參數(shù)K、η的取值,0.5CT試樣與PCCv試樣不同。設(shè)x=aW:對于0.5CT試樣:根據(jù)ASTME1921-09c標準,測得的0.5CT試樣裂紋嘴張開位移需經(jīng)VLL=0.73V0換算為加載線張開位移VLL,則式(3)中Ap對應(yīng)于0.5CT試樣的VLL。對于PCCv試樣:(2)將試驗溫度T下獲得的各試樣的Jc值按式(6)換算為彈塑性等效應(yīng)力強度因子KJc:(3)由于主曲線法運用最弱鏈理論預(yù)測試樣尺寸在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)對試樣斷裂韌性的影響,因而需對由非25.4mm試樣測得的KJc值進行尺寸調(diào)整,按式(7)轉(zhuǎn)換為25.4mm標準尺寸下的KJc(1T)。式中,B1T為25.4mm。若測得的KJc值小于50MPa·m1/2則無需作尺寸調(diào)整。(4)KJc有效性檢驗:ASTME1921-09c規(guī)定通過以下2個條件來檢驗KJc值是否有效:為保證試樣裂紋尖端的高拘束度,要求KJc值不超過極限強度因子KJc(limit):式中,σYS為屈服強度。若KJc超過KJc(limit),則該試樣無效,后續(xù)計算尺度參數(shù)(K0)時用KJc(limit,1T)代替。為保證試樣斷裂符合解理斷裂統(tǒng)計模型,僅允許試樣有少量裂紋擴展,從而要求試樣的最大延性裂紋擴展不超過0.05(W-a0)或1mm中的最小值。若溫度擴展量超過該范圍,則該試樣無效,后續(xù)計算尺度參數(shù)(K0)時用同組試樣中前一有效KJc(1T)的最大值代替。若上述2個條件均不滿足,則后續(xù)計算K0時選擇較小的代替值。(5)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)有效性檢驗后,按式(9)計算K0:式中,N為包括有效試樣和無效試樣在內(nèi)的總的試樣數(shù);r為有效試樣數(shù)。(6)按式(10)計算累積失效概率為50%的KJc(med):(7)按式(11)計算參考溫度T0:式中,T為試驗溫度。(8)主曲線確定:對于累積失效概率為pf下的鐵素體鋼的斷裂韌性強度因子與溫度之間的關(guān)系曲線為:對應(yīng)于累積失效概率為50%、5%、95%的主曲線的表達式分別為:(9)T0的有效性判定:對于單溫度法分析得到T0,ASTME1921—09c規(guī)定了一個由極限斷裂韌性和T0±50℃溫度范圍內(nèi)5%及95%累積失效概率曲線構(gòu)成的有效窗口,從而要求試驗點應(yīng)處于有效窗口內(nèi)。此外,由單溫度法分析得到的25.4mm標準試樣的KJc(med,1T)在不同范圍內(nèi)需滿足表1所示的最少有效試樣數(shù)量。4結(jié)果與分析4.1-50℃拉伸實驗完成了-50℃下A508-Ⅲ鋼的拉伸試驗,表2給出了試驗結(jié)果。4.21508鋼硬脆重轉(zhuǎn)換的參考溫度4.2.1af的試樣及其紅外光譜經(jīng)柔度法處理及試樣斷口觀察可知,所有0.5CT試樣和PCCv試樣在試驗過程中均為解理脆性斷裂,無穩(wěn)定裂紋擴展產(chǎn)生,因此各試樣的af等于a0,且由工具顯微鏡根據(jù)9點平均法物理測量獲得。表3給出了各試樣的原始尺寸及裂紋長度測量結(jié)果。4.2.2試樣的塑性變形圖2為0.5CT試樣和PCCv試樣典型的載荷-位移曲線圖。從圖2可以發(fā)現(xiàn),對于所有PCCv試樣,試樣均是發(fā)生了一定程度的塑性變形之后才突然發(fā)生斷裂;而對于0.5CT試樣,試樣幾乎沒有發(fā)生塑性形變即發(fā)生了斷裂。PCCv試樣的斷裂是否屬于韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的彈塑性斷裂,要經(jīng)過KJc(limit)的計算,才能確認其數(shù)據(jù)是否有效。4.2.3med-t0的計算表4給出了0.5CT試樣和PCCv試樣在-50℃下的斷裂韌性KJc值,可見所有0.5CT試樣的KJc值均滿足有效性檢驗,PCCv試樣中僅有3#試樣不滿足有效性檢驗,因而用對應(yīng)的KJc(limit,1T)代替KJc(1T)值計算尺度參數(shù)K0(1T)。表5給出了0.5CT試樣及PCCv試樣的參考溫度T0。從表5中可見,由兩類試樣得到的中值斷裂韌性KJc(med)在87~88MPa·m1/2之間,T-T0分別為-10.7℃和-10.1℃,符合表1中的第1種情況,再結(jié)合表4可知,由0.5CT試樣和PCCv試樣測得的T0值均滿足有效試樣數(shù)的規(guī)定。由表5還可以看到,由0.5CT試樣和PCCv試樣測得的A508-Ⅲ鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的參考溫度T0值僅相差0.6℃。4.2.4t0.2試驗點t圖3a和圖3b分別給出了由0.5CT試樣和PCCv試樣測得的A508-Ⅲ鋼的斷裂韌性KJc與試驗溫度T的變化曲線。由圖3a可以看到,有一個試驗點處于有效窗口外,但仍作為有效試驗點參與T0的計算,進一步分析發(fā)現(xiàn),該溢出數(shù)據(jù)點落在95%與99.9%的邊界曲線之間,而其余數(shù)據(jù)都在5%和95%置信區(qū)間內(nèi)。從圖3b可以看到,所有三點彎曲試樣的所有試驗點都在有效窗口內(nèi),且包絡(luò)在5%和95%置信區(qū)間內(nèi)。5研究目的和意義(1)通過主曲線方法,用單一溫度下的PCCv試樣和0.5CT試樣的彈塑性斷裂參量就可獲得A508-Ⅲ鋼的韌脆轉(zhuǎn)變曲線,為RPV的結(jié)構(gòu)完整性評定提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(2)由PCCv試樣測得的T0和0.5CT試樣測得的T0相差僅0.6℃,而非ASTME1921中指出的10℃以上。反應(yīng)堆內(nèi)的輻照監(jiān)督空間非常寶貴,用于輻照監(jiān)督的試樣尺寸越小,越能提供更多的輻照監(jiān)督試樣,使人們更準確地掌握RPV的老化情況。研究表明,PCCv試樣(55mm×10mm×10mm)在韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)也能滿足平面應(yīng)變的約束條件,進行KJc(med)的測量。目前我國RPV中放置的斷裂