2024核电厂铸造不锈钢热老化状态检测及评估技术

核电厂铸造奥氏体不锈钢热老化状态检测及评估目  次前  言 II范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1缩略语 1技术要求 2热老化敏感性筛选 2筛选范围 2筛选准则 2热老化状态检测 2热老化状态评估 5热老化评估模型的构建 5现场检测结果的评估 5验收准则 5附 录 A（规范性附录）铁素体含量 6附 录 B（规范性附录）热老化状态评估 8I核电厂铸造奥氏体不锈钢热老化状态检测及评估范围（法国牌号：Z3CN20.09M；美国牌号：CF3CF8CF8M等）热老化敏感性筛选准则、热老化状态检测和评估要求。本文件适用于核电厂铸造奥氏体不锈钢（CASS）热老化敏感性筛选、状态检测和评估工作。规范性引用文件GB/T39429-2020 无损检测导电材料热电势分选方法NB/T20004-2014 核电厂核岛机械设备材料理化检验方法术语和定义下列术语和定义适用于本文件。加速老化 acceleratedaging热老化 thermalaging铸造奥氏体不锈钢在反应堆运行温度下长期服役，其断裂韧性将随服役时间的延长而下降的现象。热电势（塞贝克效应）thermoelectricpower（seebeckeffect）由两种导体所构成的回路中，当两种导体的两个接触点处于不同温度时，该回路中会产生电动势的一种现象。缩略语本标准采用下列缩略语。CASS铸造奥氏体不锈钢CastausteniticstainlesssteelsCMTR材料试验合格记录CertifiedmaterialtestrecordTEP热电势ThermoelectricpowerEVT-1加强型目视检查Enhancedvisualexamination1UT超声波检测UltrasonictestingRT射线检测RadiographictestingPT渗透检测PenetrantflawtestingASME美国机械工程师协会AmericanSocietyofMechanicalEngineersASTM美国材料与试验协会AmericanSocietyofTestingandMaterialsEDF法国电力公司ElectricitédeFrance技术要求热老化敏感性筛选核电厂一回路压力边界部件的CASS根据服役温度、铸造方法、钼含量、镍含量和铁素体含量，或者CASS材料的老化试验性能数据和材料试验合格记录（CMTR），对热老化脆化敏感性进行筛选；筛选之后对热老化敏感的铸造奥氏体不锈钢部件进行热老化状态检测及评估。筛选范围筛选范围包含服役温度大于250℃且材质为铸造奥氏体不锈钢的一回路压力边界部件。筛选准则1所示：表1 铸造奥氏体不锈钢热老化敏感性的筛选准则钼含量（wt.%）铸造方法铁素体含量*（%）敏感性判断高钼(2.0–3.0)且Ni含量<10%（Ni含量≥10%）静态≤14（≤11）不敏感>14（>11）潜在敏感离心≤19（≤13）不敏感>19（>13）潜在敏感低钼（最大0.50)静态≤20且Creq≤23.5%不敏感>20或Creq＞23.5%潜在敏感离心全部不敏感Hull等效因子法或具有等效水平精（测量值和计算值之间的偏差约为A.2中四种方法的最大值。热老化状态检测目视或体积检测或体积检测技术（UTPT）2及环境因素等影响的部位。此外，检测方法应符合电厂相关管理程序或指导文件的要求。热电势检测金属热电势原理详见GB/T39429-2020《无损检测导电材料热电势分选方法》中第4章节，当试样或部件的两端存在温度差T时，由于温度的不均匀性导致体系电子的不对称性分布，在材料两端将产生电势差V，其原理如图1所示，热电势TEP定义为两者的比值V/T，也叫塞贝克（Seebeck）系数，单位用V/℃表示，TEP定义为：STEP=V/T图1热电势原理（Seebeck效应）采用热电势技术对热老化“潜在敏感”图2热老化状态检测和评估流程（热电势方法）获取待测部件基本材料参数3TEP测量仪器校准对现场部件进行TEP测量前，选用外部设备或标准样品对TEP测量仪器进行校准。TEP测量现场TEP测量过程应包括以下内容：TEP测量传输；TEP计算和修正；测量重复性；总体重复性；测试持续时间；测试监控；报告文件。TEPTEP3为TEP测量仪器在主管测量仪器在主管道弯头上的检测位置如图44个位置进行检测时，即顶部为0°位置，顺时针方向分别为90°、180°和270°共4个安装位置。图3主管道检测位置

图4检测仪器安装位置TEP4热老化状态评估热老化评估模型的构建TEP（参见附录B）。现场检测结果的评估采用热电势技术对部件进行热老化检测时，依据实验室热老化数据和热老化评估模型，结合现场部件TEP测量结果，对部件的热老化状态给出评估结果。验收准则热老化状态评估：采用在裂纹深度为2.5mm时的断裂韧度值J2.5≥255KJ/m2来区分CASS材料对于热老化是否敏感。完整性评估：对热老化状态评估不满足要求的部件，或指导文件中规定限值的CASS部件进行缺陷容限评估时，应根据具体的情况，使用电厂特定的断裂韧性数据进行缺陷容限评估。评估中参考缺陷可以为CASS部件中检测到的实际缺陷尺寸，也可以参考相关法规标准中假定的基准缺陷。CASS部件缺陷容限评估获得的保证结构的完整性。5附 录 A（规范性）铁素体含量CASS（SCHAEFFLER）CMTRCMTR不可用时，则可采用金相法和非饱和磁场法测得铁素体含量。测量铁素体如果铁素体含量的测量值用于设计计算或分析时，大多数CASS部件中的铁素体含量在部件的不同区域有显著差异，则应在部件的长度和宽度上选择几个位置，以确保其能够代表整个部件。此外，材料在使用过程中可能会形成铁素体和奥氏体以外的相，可能会改变材料的磁响应，因此对于具有相同化学成分但经过不同热处理的材料，所测的铁素体含量截然不同。铁素体含量测量详见NB/T20004-2014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》中第15章节。预估铁素体常用的铁素体含量估算方法如下：Hull等效因子法Hull等效因子法的计算方法如下：100.3Cr Ni2170.72Cr

74.22c eq eq eq eqCr1.21Mo0.48Si4.99Nieq

i1n6n24N5C7w%c是铁素体含量，Ceq和Neq为HulCMTRN0.04wt.%。ASTMA800/800M方法SCHAEFFLERCr当量CreqNiNieq的成分比下进行估算，由以下公式确定：Creq

Nieq1.5Si1.4MoNb

Ni30C0.5n26N22.77当给定铁素体含量（F）的成分比值CreqNieq确定后，然后由中心线的下述方程确定：EDF方法

CreqNieq

0.93.38883102F5.58175104F24.22861106F3EDF开发的估算表达式如下：Ferrite21.8R25.96R3.39Ferrite为铁素体含量值，R是CreqNieq的比值，表达式如下：RCro0.65Si17.6Ni20C8.3N0.08n5.186RCC-MMC1290的方法SCHAEFFLER方法确定铬、镍当量。从已知化学成分，计算出铬、镍当量：��𝑒=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb���=%Ni+30%C+0.%Mn然后，使用下列2个方程式，计算出当量SCHAEFFLER的铁素体含量：R=����—.）/����+2.4）Fe%=（119.11�3—550.34�2+701.94R—297.25）R注：此计算法对于铁素体含量在10%到25%范围内有效。7附 录 B（规范性）热老化状态评估B.1所示评估流程。附图B.1热老化对力学性能影响趋势预测流程图以材料的材料试验合格记录（CMTR）为基础的评估流程包括以下三类：8A类：下限值预测<10%，10%～15%，15%-20%，25%-30%或>30%-40%J-RJ-R曲线下限值。B类：饱和值预测B类方法求取材料的饱和断裂韧度以及冲击吸收能。当通过材料化学成分预测的饱和J-R曲线大于未老化断裂韧度最小值，则后者被用来作为材料饱和J-R曲线；否则，取预测的J-R曲线作为材料的饱和J-R曲线。C类：服役性能预测（提供了一种（即，使用时间特性）C类。这些估算需要未老化材料的初始冲击吸收能量。如果200J/cm2（KV2=160BR/OJ-R曲线和流变应力来预测。类方法预测结果更为准确。夏比冲击吸收能的预测MoCASSCVsat是通过以下公式定义得到的较低值：1.15参数定义为cCrSC4N)饱和冲击吸收能CVsat另外表达式为：

（1）（2）0t4cro4i4iC4N)对高Mo含量的CASS钢，Ni<10%时，饱和室温冲击吸收能的最小值CVsat定义为：

（3）

（4）c这里材料参数φ被定义为(NiSiMn)2(C0.4N)/5c饱和冲击吸收能CVsat另外表达式为：

og10Cat7.280.01c0.18Cr0.369o0.45Si0.007Ni4.7(C0.4N)对高Mo含量的CASS钢，N≥10%时，饱和室温冲击吸收能的最小值CVsat定义为：

c这里材料参数φ被定义为(NiSiMn)2(C0.4N)/5c

9NB/T202X饱和冲击吸收能CVsat另外表达式为：og10Cat7.280.01c0.18Cr0.369o0.45Si0.007Ni4.7(C0.4N)

上述公式中，如果N的含量不确定，可以近似认为0.04%，在已知老化时间和温度的前提下，特定铸造奥氏体不锈钢材料室温夏比冲击吸收能可以从预测的室温饱和冲击吸收能CVsat和脆化动力学来评估。室温夏比冲击吸收能CV随时间的下降可以表示为：Cv这里老化参数P可以定义为

Plog10(t)

1000Q 1

119.143Ts273 6731常数α和βCVintCVsat确定：0.5850.795log10CVsat(log10CVintlog10CVsat)/2

13CVint200J/cm2的典型值（KV2=160J）。热脆激活能可以通过材料化学成分和常量θ的定义如下：Q3.46Si1.78Cr4.35I1Mn125I1)N2C

MoCASSI1=0、I2=1MoCASSI1=1、I2=0。θ值需要通过加速热老化实验确定，如果做临时性评估，θ2.9（280℃~400℃之间）。ANLGFEDFNPFRAQ95%14ASTMA351RCC-M规范的材料是可用Mn1.2wt%Mn1.2wt%1.2wt%来计算。此外，14Q65KJ/mole250KJ/mole65KJ/mole则65KJ/mole250KJ/mole250KJ/mole。CVsat和脆化动力学计算。JR曲线的预测JR曲线可以从室温夏比冲击吸收能Cv估算，JR曲线可以通过幂指函数关系得到，表达式为：dJ Cand

公式15之中的参数C与n可以通过附表B.1获得不同铸造方式以及温度等条件下具体取值。附表B.1断裂阻力曲线参数取值表Mo含量碳含量范围Cn静态铸造室温低Mo含量CASSC%≤0.30C49[C]0.52vn0.160.13log10[Cv]0.30＜C%≤0.80n0.180.10log10[Cv]10高Mo含量CASS28J)/C16[C]0.67vn0.200.08log10[Cv]高Mo含量CASS<28)C1.44[C]1.35v290~320℃低Mo含量CASSC%≤0.30C102[C]0.28vn0.150.12log10[Cv]0.30＜C%≤0.80n0.170.09log10[Cv]高Mo含量CASS36.J)/C49[C]0.41vn0.190.07log10[Cv]高Mo含量CASS<368J)C5.5[C]0.98v离心铸造室温低Mo含量CASSC%≤0.30C]0.52vn0.160.13log10[Cv]0.30＜C%≤0.80n0.180.10log10[Cv]高Mo含量CASS28J)/C20[C]0.67vn0.200.08log10[Cv]高Mo含量CASS<28)C1.78[C]1.35v290~320℃低Mo含量CASSC%≤0.30C134[C]0.28vn0.150.12log10[Cv]0.30＜C%≤0.80n0.170.09log10[Cv]高Mo含量CASS32.J)/C]0.41vn]高Mo含量CASS<328J)C6.9[C]0.98vJR290℃时预测的Cn值进行线性插值估算。JR290-320320℃范围内，未老化不锈钢的断裂韧性最小值：CASSJ

400[a]0.40

dCASSJ550[a]0.43d

JR曲线也可以作为铸造材料的断裂韧性初始值。断JRCVintCVsat，16-17作为预测的下限值。拉伸性能预测屈服与流变应力P可以预测已老化铸造奥氏体不锈钢材Rf

(faged

funaged)，有关Rf比值在各种不同等级、温度、钢种的最大值和最小值在附表B.2之中给出，当计算的Rf值比最小值小或比最大值大时就取其极值。附表B.2流变应力预测参数表11温度范围Mo含量碳含量范围Rf(fagedfunaged)室温MoCASSC%≤0.30Rf0.900.05P1.00Rf1.100.30＜C%≤0.80Rf0.840.08P1.00Rf1.16MoCASS/Rf0.770.10P1.00Rf1.19290℃MoCASSC%≤0.30Rf0.870.06P1.00Rf1.080.30＜C%≤0.80Rf0.830.09P1.00Rf1.14MoCASS/Rf0.690.14P1.00Rf1.24Rf280-330MoCASS7%Mo的CASS10%铸造奥氏体不锈钢的拉伸性能数据显示热老化所导致的屈服应力的增加比断裂强度要小，定义拉伸屈服应力比率Ry

yunaged

，有关Ry比值在各种不同等级、温度、钢种的最大值和最小值在附表B.3之中给出，适用于Fe%≥7%的高Mo类CASS和Fe%≥10%低Mo类CASS：附表B.3屈服应力预测参数表温度范围Mo含量碳含量范围Ry yaged yunaged室温低Mo含量CASSC%≤0.30Ry0.8730.048P1.00Rf1.070.30＜C