铁素体钢在rpv结构中的应用

铁素体钢在rpv结构中的应用

1断裂韧性的计算方法master曲线法是一种描述钢作为铁的新方法，在岸厅底板和断裂带的变形行为方面提供了解决方案，并在评估沉积压力容器结构（epv）结构的完整性方面得到了成功的应用。该方法基于最弱链统计理论和3参数Weibull分布模型,将断裂韧性分布、尺寸效应和温度有效地联系起来,仅用一个特征参量——韧脆转变区的参考温度T0来描述断裂韧性与温度的关系曲线。建立在Master曲线基础上的弹塑性中值断裂韧性强度因子[KJc(med)]比线弹性断裂韧性强度因子更适用:它不仅能够在测试试样尺寸较小时,给出弹塑性条件下的防脆性断裂判据,而且可以直接由辐照试样测试获得断裂韧性数据,不需要材料的初始断裂韧性数据。国际上近来出台的许多评价核电厂设备与管道寿命的技术规范或标准中都推荐KJc(med)方法,ASTM也专门制定了基于弹塑性断裂力学和统计方法的Master曲线方法的相关标准E1921,计算RPV用低合金钢的断裂韧性。国内在核电厂RPV老化管理方面的基础技术研究不多,作为老化管理的基本数据和技术储备,开展RPV用A508-Ⅲ钢材料在韧脆转变温度范围内的弹塑性断裂韧性研究。2试验方案和参数试验材料为RPV用国产A508-Ⅲ钢。采用的试样类型为12.7mm紧凑拉伸试样(0.5CT试样)和带有预制裂纹的夏比尺寸试样(PCCv试样)。图1给出了2种试样的结构及尺寸,试样的裂纹嘴位置均设计成燕尾槽结构,以便于安装裂纹张开嘴位移(COD)引伸计,从而测量试样的裂纹嘴张开位移。其中,0.5CT试样的宽度厚度比(W/B)为2,由线切割加工的机械缺口长度为11.2±0.02mm;PCCv试样的W/B为1,跨距宽度比(S/W)为4,由线切割加工的机械缺口长度为4mm。为保证至少有6个有效数据,每种试样拟采用9个试样完成断裂韧性试验。试验在MTS810100kN电液伺服试验机上完成,控制系统为FlexTest60,试样的裂纹嘴张开位移采用COD引伸计MTS632.02F-20测量,19JA型万能工具显微镜用于测量试样断面的最终裂纹长度(af)。应用MTS793.50标准断裂力学软件完成疲劳裂纹预制和准静态断裂韧性试验的控制。0.5CT试样配合专用U型夹具实现加载,PCCv试样配合专用三点弯曲加载装置实现加载,两类试样及夹具系统均置于GDX160低温环境箱(-70~300℃)中,以实现真实低温环境下的断裂韧性试验。低温环境以调节环境箱内的液氮填充量的方式控制试验温度,试验温度由testo922便携温度计进行测量。采用单温度法进行试验,试验温度为-50℃,试验中控制温度波动范围为±0.2℃。3实验与数据分析的方法3.1试样的预制和加载为了获得足够尖锐的裂纹前缘,在室温环境下应用MTS793.50标准断裂力学软件,在MTS试验机上对试样预制疲劳裂纹。采用载荷控制方式进行疲劳加载,载荷比为0.1,采用等应力强度因子幅值(ΔK)控制结合卸载柔度法实现预制的精确控制,既保证裂纹扩展驱动力均匀,还可确保裂纹尖端不出现大范围屈服。预制后的试样裂纹长度(a0)在0.45W~0.6W之间,预制循环数控制在30000~80000次范围内。预制疲劳裂纹结束后,将试样连同加载装置置于低温环境箱内,根据ASTME1820-11标准采用卸载柔度法对试样进行准静态加载(采用卸载柔度法的目的在于监测试样的稳定裂纹扩展量),加载速率为0.01mm/s。试验中记录试样的载荷和裂纹嘴张开位移,当试样出现失稳断裂时停止加载。停止加载后,从试验机上取下试样快速将其压断后烘干,清理试样断口,用显微镜测量试样的预制后a0和af。在厚度方向距离试样表面0.01B之间等间隔取9个测量点读取裂纹长度,并按式(1)计算平均裂纹长度:3.2主曲线c0试验和pccv试验根据主曲线法,用于描述铁素体钢韧脆转变区应力强度因子KJc分布情况的3参数Weibull概率模型为:式中,pf为当K≤KJc时的累积断裂概率;b为形状参数,ASTME1921-09c标准推荐b=4;Kmin为Weibull分布位置参数,标准推荐Kmin=20MPa·m1/2;K0为尺寸参数,MPa·m1/2。单温度法确定A508-Ⅲ钢韧脆转变区参考温度T0的数据处理按照以下流程进行:(1)从载荷P-裂纹嘴张开位移V0试验曲线上选取载荷突降点作为解理断裂发生的时刻,参照ASTME1820-11标准计算解理断裂时的断裂韧性Jc:式中,Je为弹性功贡献的断裂韧性,MPa·m;Jp为塑性功贡献的断裂韧性,MPa·m;v为泊松比;Ap为塑性功,Ap=A-C0P2,C0=△V/△P,C0为载荷-位移曲线弹性部分的斜率,A为总功,P为载荷;E为弹性模量。式(3)中参数K、η的取值,0.5CT试样与PCCv试样不同。设x=aW:对于0.5CT试样:根据ASTME1921-09c标准,测得的0.5CT试样裂纹嘴张开位移需经VLL=0.73V0换算为加载线张开位移VLL,则式(3)中Ap对应于0.5CT试样的VLL。对于PCCv试样:(2)将试验温度T下获得的各试样的Jc值按式(6)换算为弹塑性等效应力强度因子KJc:(3)由于主曲线法运用最弱链理论预测试样尺寸在韧脆转变区对试样断裂韧性的影响,因而需对由非25.4mm试样测得的KJc值进行尺寸调整,按式(7)转换为25.4mm标准尺寸下的KJc(1T)。式中,B1T为25.4mm。若测得的KJc值小于50MPa·m1/2则无需作尺寸调整。(4)KJc有效性检验:ASTME1921-09c规定通过以下2个条件来检验KJc值是否有效:为保证试样裂纹尖端的高拘束度,要求KJc值不超过极限强度因子KJc(limit):式中,σYS为屈服强度。若KJc超过KJc(limit),则该试样无效,后续计算尺度参数(K0)时用KJc(limit,1T)代替。为保证试样断裂符合解理断裂统计模型,仅允许试样有少量裂纹扩展,从而要求试样的最大延性裂纹扩展不超过0.05(W-a0)或1mm中的最小值。若温度扩展量超过该范围,则该试样无效,后续计算尺度参数(K0)时用同组试样中前一有效KJc(1T)的最大值代替。若上述2个条件均不满足,则后续计算K0时选择较小的代替值。(5)试验数据经有效性检验后,按式(9)计算K0:式中,N为包括有效试样和无效试样在内的总的试样数;r为有效试样数。(6)按式(10)计算累积失效概率为50%的KJc(med):(7)按式(11)计算参考温度T0:式中,T为试验温度。(8)主曲线确定:对于累积失效概率为pf下的铁素体钢的断裂韧性强度因子与温度之间的关系曲线为:对应于累积失效概率为50%、5%、95%的主曲线的表达式分别为:(9)T0的有效性判定:对于单温度法分析得到T0,ASTME1921—09c规定了一个由极限断裂韧性和T0±50℃温度范围内5%及95%累积失效概率曲线构成的有效窗口,从而要求试验点应处于有效窗口内。此外,由单温度法分析得到的25.4mm标准试样的KJc(med,1T)在不同范围内需满足表1所示的最少有效试样数量。4结果与分析4.1-50℃拉伸实验完成了-50℃下A508-Ⅲ钢的拉伸试验,表2给出了试验结果。4.21508钢硬脆重转换的参考温度4.2.1af的试样及其红外光谱经柔度法处理及试样断口观察可知,所有0.5CT试样和PCCv试样在试验过程中均为解理脆性断裂,无稳定裂纹扩展产生,因此各试样的af等于a0,且由工具显微镜根据9点平均法物理测量获得。表3给出了各试样的原始尺寸及裂纹长度测量结果。4.2.2试样的塑性变形图2为0.5CT试样和PCCv试样典型的载荷-位移曲线图。从图2可以发现,对于所有PCCv试样,试样均是发生了一定程度的塑性变形之后才突然发生断裂;而对于0.5CT试样,试样几乎没有发生塑性形变即发生了断裂。PCCv试样的断裂是否属于韧脆转变温度范围内的弹塑性断裂,要经过KJc(limit)的计算,才能确认其数据是否有效。4.2.3med-t0的计算表4给出了0.5CT试样和PCCv试样在-50℃下的断裂韧性KJc值,可见所有0.5CT试样的KJc值均满足有效性检验,PCCv试样中仅有3#试样不满足有效性检验,因而用对应的KJc(limit,1T)代替KJc(1T)值计算尺度参数K0(1T)。表5给出了0.5CT试样及PCCv试样的参考温度T0。从表5中可见,由两类试样得到的中值断裂韧性KJc(med)在87~88MPa·m1/2之间,T-T0分别为-10.7℃和-10.1℃,符合表1中的第1种情况,再结合表4可知,由0.5CT试样和PCCv试样测得的T0值均满足有效试样数的规定。由表5还可以看到,由0.5CT试样和PCCv试样测得的A508-Ⅲ钢韧脆转变区的参考温度T0值仅相差0.6℃。4.2.4t0.2试验点t图3a和图3b分别给出了由0.5CT试样和PCCv试样测得的A508-Ⅲ钢的断裂韧性KJc与试验温度T的变化曲线。由图3a可以看到,有一个试验点处于有效窗口外,但仍作为有效试验点参与T0的计算,进一步分析发现,该溢出数据点落在95%与99.9%的边界曲线之间,而其余数据都在5%和95%置信区间内。从图3b可以看到,所有三点弯曲试样的所有试验点都在有效窗口内,且包络在5%和95%置信区间内。5研究目的和意义(1)通过主曲线方法,用单一温度下的PCCv试样和0.5CT试样的弹塑性断裂参量就可获得A508-Ⅲ钢的韧脆转变曲线,为RPV的结构完整性评定提供重要的基础数据。(2)由PCCv试样测得的T0和0.5CT试样测得的T0相差仅0.6℃,而非ASTME1921中指出的10℃以上。反应堆内的辐照监督空间非常宝贵,用于辐照监督的试样尺寸越小,越能提供更多的辐照监督试样,使人们更准确地掌握RPV的老化情况。研究表明,PCCv试样(55mm×10mm×10mm)在韧脆转变温度范围内也能满足平面应变的约束条件,进行KJc(med)的测量。目前我国RPV中放置的断裂