T∕CNS 12-2019 压水堆核电厂金属材料环境疲劳影响模型

1、ICS 77.040.01H 20T/CNS 122019压水堆核电厂金属材料环境疲劳影响模型Environmentally assisted fatigue model of metallic materials used inpressurized water reactor nuclear power plants2019-05-27 发布2019-09-01 实施中国核学会 发布T/CNS 122019tuW Ii翻i2规范性引用文件13术语和定义14模型数据15 低合金钢16 奥氏体不锈钢47 镍基合金78利用环境疲劳影响模型评价压水堆核电站关键设备的疲劳损伤9T/CNS 12201

2、9本标准按照GB/T 1.12009给出的规则起草。本标准由中国核学会提出。本标准由核工业标准化研究所归口。本标准负责起草单位：中国科学院金属研究所、上海核T程研究设计院有限公司。 本标准主要起草人:韩恩厚、谭季波、吴欣强、刘晓强、刘畅、张旭。I学兔兔标准下载学兔兔标准下载T/CNS 122019压水堆核电厂金属材料环境疲劳影响模型1范围本标准给出了压水堆核电厂低合金钢、奥氏体不锈钢和镍基合金的环境疲劳影响模型。 本标准适用于压水堆核电厂一回路压力边界部件的环境疲劳设计、环境疲劳损伤评估和寿命评估。 2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用

3、于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修订单）适用于本文件。T/CNS 4一2018核电厂金属材料高温高压水中腐蚀疲劳试验方法3术语和定义T/CNS 4一2018界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1环境疲劳影响因子 environmental fatigue correction factorFen空气中疲劳寿命与高温高压冷却剂环境中疲劳寿命的比值。4模型数据根据T/CNS 42018对压水堆核电厂低合金钢（19MnNiMo反应堆压力容器低合金钢锻件）、奥 氏体不锈钢（022Crl7Nil2Mo2N主管道奥氏体不锈钢锻件、022Crl9Nil0堆内构件奥氏体不锈钢锻

4、 件）、镍基合金（NS3105蒸汽发生器传热管及管坯）材料开展模拟高温高压一回路环境疲劳试验，获取 相关试验数据作为本标准环境疲劳影响模型的输人。5低合金钢5.1低合金钢空气中疲劳设计曲线构建低合金钢空气中疲劳模型基于简化的Langer方程式（1），式（2 ）为拟合疲劳数据获得的空气中 的疲劳平均曲线（室温一325 °C ），见图1:eu广 +Ce =28.104N；°-544 + 0.151(1 )V乙)式中：-应变幅；N.f-疲劳寿命；A-常数；C-疲劳极限。1两边取对数得式（3）。nNf =6.132 1.8381n（e。一 0.151）（ 3 ）疲劳设计曲线是将平均

5、曲线的应力幅（应变幅）除以2或者疲劳寿命除以12取下包络线获得。0. 1- 平均曲线设计曲线102103 104 10s疲劳寿命/周次106图1低合金钢空气中疲劳平均曲线和设计曲线5.2低合金钢环境疲劳影响模型本标准中低合金钢环境疲劳影响因子构建主要考虑的要素有应变速率、温度和溶解氧（DO），S含 量（0.002%）不作为低合金钢环境疲劳影响因子构建的要素。5.2.1应变速率的影响图2为低合金钢在320 °CDO< 10X10 9高温高压水中与应变速率的关系曲线见式（4）:Fm =1.531e-°-167(4)其中e为应变速率，两边取对数获得式(5):lnFM1 =0

6、.426 0.167lne( 5 )当应变速率大于4%s 1时，Fm为1.21，高温高压水环境对低合金钢疲劳寿命影响较小。应变速率 在4%S40.000 4%s-'区间，疲劳寿命随应变速率降低而降低，应变速率下限阈值为0.000 4%s- 5.2.2温度的影响图3为低合金钢在DOCIOXICT”高温高压水环境中，应变速率为0.01%s4时与温度的关系 曲线见式(6):Fm = exp0.005 5(T 150)( 6 )其中T为温度(°C)，两边取对数获得式(7):lnFen = 0.005 5(T 150)( 7 )温度低于150 °C时，Fen为1，高温高压水环

7、境对疲劳寿命无影响。温度在150 °C-325 °C区间，疲 劳寿命随温度升高而降低。考虑压水堆核电站运行温度，温度上限阈值取325 °C。5.2.3 DO的影响图4为低合金钢在温度为320 °C高温高压水环境中，应变速率为O.OlMs-1时Fen与DO的关系曲2学兔兔标准下载T/CNS 122019线见式(8):Feil =0.28DOlU1( 8 )两边取对数获得式(9):lnFen =0.54ln(DO) 1.241( 9 )DO低于40X 10 9时，DO对低合金钢高温高压水疲劳寿命影响较小，DO下限阈值为40 X 10 9。 DO在40X109

8、1 000X 109区间，疲劳寿命随DO升高而降低，DO上限阈值为1 000X10一9。图2低合金钢在高温高压水环境中，与应变速率的关系曲线图3低合金钢在高温高压水环境中与温度的关系曲线T:320 C 应变速率rO.Os110100DO/IO91 000图4低合金钢在高温高压水环境中，与DO的关系曲线5.2.4低合金钢环境疲劳影响模型综合上述应变速率、温度和DO对Fm的影响，获得低合金钢（19MnNiMo）的表达式及边界条 件如式（10）所示：lnFen =（2.55P ） T * O *= 1.386=ln(e )(e > 4%s1 )(0.000 4%s1 < e < 4

9、%s1 )= ln(0.000 4)=0= 0.000 298(T - 150)(e C 0.000 4%s 1) (T C 150 °C )(150 <T < 325 °C)(10 )=0.052 2= 1.391= ln(DO) -2.298= 4.61(T > 325 °C )(DO < 40 X 10 9 ) (40 < DO < 1 000 X 10 9 ) (DO > 1 000 X 10 9 )式中：e*应变速率因子;T'温度因子；O'DO因子。6奥氏体不锈钢 6.1奥氏体不锈钢空气中疲劳设计

10、曲线构建奥氏体不锈钢空气中疲劳模型基于简化的Langer方程式（1），式（11）为拟合疲劳数据获得的 空气中的疲劳平均曲线（室温一325 °C ），见图5：e1( =23N70'46 +0.112( 11 )两边取对数得式(12):lnNf =6.82 2.17ln(e 0.112)( 12 )疲劳设计曲线是将平均曲线的应力幅（应变幅）除以2或者疲劳寿命除以12取下包络线获得。0. 1设计曲线1%/lffi制S102103 104 105疲劳寿命/周次106图5奥氏体不锈钢空气中疲劳平均曲线和设计曲线6.2奥氏体不锈钢环境疲劳影响模型本标准中奥氏体不锈钢环境疲劳影响因子构建主

11、要考虑的要素有应变速率、温度和DO。6.2.1应变速率的影响图6为奥氏体不锈钢在325 °CDO< 10X10 9高温高压水中Fen与应变速率的关系曲线见式（13）:Fen =1.434e °'26(13 )两边取对数获得式(14):lnFen = 0.36 0.26lne( 14 )当应变速率大于4%s-'时，厂为1，高温高压水环境对奥氏体不锈钢疲劳寿命无影响。应变速率 在4%s 10.000 4%s 1区间，疲劳寿命随应变速率降低而降低，应变速率下限阈值为0.000 4%s 6.2.2温度的影响图7为奥氏体不锈钢在DCX5X10 9高温高压水环境中

12、，应变速率为0,001%s 1时Fen与温度的 关系曲线见式(15):Fm = exp0.009 7(T 100)( 15 )两边取对数获得式(16):lnFen =0.009 7(T - 100)( 16 )温度低于100 °C时，Fen为1，高温高压水环境对疲劳寿命无影响。温度在100 °C-325 °C区间，疲劳寿命随温度升高而降低。考虑压水堆核电站运行温度，温度上限阈值取325 °C。6.2.3 DO的影响DOIOXIO-9时，考虑DO的影响因子为1；DO>100X109时，考虑DO的影响因子为0.5o0.1105LJr=325 °

13、;CDO<10X10_910_410310_2 101 10°1019应变速率/(%sJ)图6奥氏体不锈钢在高温高压水环境中2与应变速率的关系曲线图7奥氏体不锈钢在高温高压水环境中Fen与温度的关系曲线6.2.4奥氏体不锈钢环境疲劳影响模型综合上述应变速率、温度和DO对Fen的影响，获得奥氏体不锈钢(022Crl7Nil2Mo2N、 022Crl9Nil0)的Fen表达式及边界条件见式(17):lnFen = (1.385 - e* )T* Oe* = ln(4)e * =ln(e )e * = ln(0.000 4)T* =0T* =0.001 16(T - 100)T* =

14、0.261O* =1O* =0.5(e > 4%s 1 )(0.000 4%s 1 < e < 4%s 1 )(e C 0.000 4%s-1 )(T C 100 °C )(100 < T < 325 °C )(T > 325 °C )(DO C 10 X 10-9)(DO > 100 X 109)(17 )7 镍基合金7.1镍基合金空气中疲劳设计曲线构建镍基合金空气中疲劳模型基于简化的Langer方程式（1），式（18）为拟合疲劳数据获得的空气 中的疲劳平均曲线(室温一325 °C )，见图8：=25.782N

15、/W8 +0.116( 18 )两边取对数得式(19):InN / =6.525 2.0081n(e一 0.116)( 19 )疲劳设计曲线是将平均曲线的应力幅（应变幅）除以2或者疲劳寿命除以12取下包络线获得。0. 1一 一设计曲线1%/s制逝102 103 104 105疲劳寿命/周次106107图8镍基合金空气中疲劳平均曲线和设计曲线7.2镍基合金环境疲劳影响模型本标准中镍基合金环境疲劳影响因子构建主要考虑的要素有应变速率、温度和DO。7.2.1 应变速率的影响图9为镍基合金在325 °CDO< 10X10 9高温高压水中与应变速率的关系曲线见式(20):Fm =0.99

16、2e-nJ56( 20 )两边取对数获得式(21):lnFen = 0.008 0.156lne( 21 )当应变速率大于0.95%8-'时，高温高压水环境对镍基合金疲劳寿命无影响。应变速率在0.95%s-10.000 4%s 1区间，疲劳寿命随应变速率降低而降低，应变速率下限阈值为0.000 4%s 107=325 °C. DOCIOXIO90. 110_4 10_3 10_2 10 1 10° 101应变速率/(%s-*)图9镍基合金在高温高压水环境中，与应变速率的关系曲线7.2.2温度的影响图10为镍基合金在DCX10X10-9高温高压水环境中，应变速率为0.

17、001%s-吋温度与Fen的关 系曲线见式(22):Fen = exp0.004 07(T 25)( 22 )两边取对数获得式(23):lnFm =0.004 07(丁一 25)( 23 )温度低于25 1时，高温高压水环境对疲劳寿命无影响。温度在25 °C 325 °C区间，疲劳寿命随温 度升高而降低。考虑压水堆核电站运行温度，温度上限阈值取325 °C。7.2.3 DO的影响DOC10X10 9时，考虑DO的影响因子为l;D()>200X 10 9时，考虑DO的影响因子为0.5。iooo OCDDO<10X10_9 应变速率:0. 001 s-10

18、100200300400温度rc图10镍基合金在高温高压水环境中与温度的关系曲线7.2.4镍基合金环境疲劳影响模型综合上述应变速率、温度和DO对的影响，获得镍基合金(NS3105)的表达式及边界条件如 式(24)所示：lnFen = ( 0.051 3 e* )T* O*e * = ln(0.95)(e G.95%8-1)e * = ln(£) e* =ln(0.000 4)T* =0.000 48T O* =1O* =0.5(0.000 4%s_1 < e < 0.95%s_1)(24 )(e < 0.000 4%s_1)(0 < T < 325 °C)(DO < 10