CSTM-金屬材料在高溫高壓水中的應力腐蝕腐蝕疲勞裂紋擴展速率測量方法編制說明

附件5：CSTM標準金屬材料在高溫高壓水中的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率測量方法編制說明（征求意見稿/送審稿/報批稿）標準編制組2021年7月工作簡要過程，來源及主要參加單位和工作組成員1.1工作簡要過程（1）總體過程本標準的制定過程主要分為前期準備、初稿編寫階段、征求意見稿編寫階段。（2）前期準備（2019年9月-2019年12月）主要任務是成立標準編制小組，分解工作任務、文件收集和調研分析、明確標準編制的進度控制。在前期準備階段成立標準編制小組和明確工作任務后，首先消化吸收上海交通大學編制的相關技術條件；收集了國標（GB）和能源標準（NB）有關的檢測、檢驗標準，并對上述所有標準進行了研究和分析，確立編制標準的構架以及技術內容。根據(jù)核電標準體系研究的前期工作分析結果，確定了本標準編制的進度安排。（3）初稿編寫（2020年1月-2020年8月）在上述調研分析的基礎上同時結合國內實際情況，起草了本標準的初稿。（4）征求意見稿編寫（2020年8月-2020年12月）初稿完成后，在具體章節(jié)編寫過程中，對于標準內容的定位和合理安排問題主編單位向各參編單位征求了相關意見。并對反饋意見主編單位內部進行多次反復討論和修改，最終形成本標準征求意見稿。標準征求意見稿編制期間主要工作如下：2020年8月19日于上海主編單位上海交通大學就本標準初稿向部分專家征求了修改意見，對初稿進行了部分修改及完善。1.2來源及主要參加單位和工作組成員本標準經過中國材料與試驗團體標準委員會（以下簡稱：CSTM標準委員會）金屬材料腐蝕與防護領域委員會審查，CSTM標準委員會批準CSTM標準《金屬材料在高溫高壓水中的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率測量方法》立項，標準項目歸口管理委員會為CSTM/FC92金屬材料腐蝕與防護領域委員會，該標準（中文版）立項編號為CSTMLX920000736-2021，標準（英文版）立項編號為CSTMLX920000736-2021E，計劃于2022年6月完成本項目。本項目由上海交通大學牽頭主編，蘇州熱工研究院有限公司、東北大學和西北工業(yè)大學為參編單位。本標準編制組成員情況詳見表1。表1：標準編制組成員名單序號姓名單位職務/職稱負責編寫內容1汪家梅上海交通大學博士后編制全文2郭相龍上海交通大學副教授審核全文3陳凱上海交通大學博士后審核全文4張樂福上海交通大學研究員審定全文5薛飛蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審定全文6彭群家蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審核全文7梅金娜蘇州熱工研究院有限公司高級工程師審定全文8韓姚磊蘇州熱工研究院有限公司工程師審核全文9張濤東北大學教授審核全文10杜東海西北工業(yè)大學副教授審核全文標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則2.1標準化對象簡要情況試驗方法的水平及使用情況，試驗設備及儀器情況使用緊湊拉伸試樣和直流電壓降（DCPD）進行應力腐蝕/腐蝕疲勞等試驗能夠在線測量裂紋擴展行為，獲得定量的裂紋擴展速率，經過國內外多年的研究與驗證，該方法結合電流換向技術消除由于熱電勢、周圍干擾對電勢信號的干擾，所測量的信號穩(wěn)定可靠，近年來逐漸得到認可。對于裂紋擴展試驗，ASTME647和E399雖已經在試樣標準、夾具、系統(tǒng)設備連接、數(shù)據(jù)獲取與分析等方面進行了詳盡的描述，但仍缺乏對于核電設備用金屬材料在高溫高壓水環(huán)境下的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率的在線測量流程的規(guī)范性指導。本標準規(guī)定了核電設備用金屬材料在循環(huán)的高溫高壓水中進行應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展試驗的范圍、試樣制備和要求、試驗原理、儀器、設備、關鍵試驗步驟、試驗結果觀察及評定和試驗報告等。應力腐蝕/腐蝕疲勞等定量分析對核電結構材料應力腐蝕失效定量化評價數(shù)據(jù)的產出、開裂機理的揭示、核電安全的保障、設備壽命的預測和運行維護成本的降低等都具有重要意義。所獲得裂紋擴展速率等關鍵數(shù)據(jù)已在華龍一號、CPR1000等核電機組設計和安全論證中得到應用。試驗方法的水平及使用情況，試驗設備及儀器情況其中，直流電壓降（DCPD）技術對裂紋擴展行為在線監(jiān)測已在ASTM標準《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》中得到標準化應用。試樣制備和要求可參考《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》和《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》等現(xiàn)行標準。標準中試驗所涉及的拉伸設備、信號采集儀表、高溫高壓水回路的水化學監(jiān)測儀表等均采用標準化商用儀器儀表。2.2制修訂標準的原則（1）制修訂標準的依據(jù)或理由；目前，核能約占全世界能源的13%，在全球變暖的嚴峻形勢下，由于其具有零碳排放的優(yōu)勢，核能正逐漸重新獲得世界各國的青睞。截止到2011年，全世界已有435個核電運行機組，總發(fā)電功率達到370GWe，此外還有108個在建核電機組(總功率108GWe)。發(fā)展核能已成為世界各國、尤其是發(fā)展中國家的重要能源戰(zhàn)略目標之一。截止到2017年12月31日，我國投入商業(yè)運行的核電機組共37臺，裝機容量35.8GWe，2017年核能發(fā)電量占比3.94%。目前，我國在建機組為17臺，并且每年將批準新建4-6個機組，按照這個發(fā)展趨勢，預計在2035年，中國將成為全球最大的核電國。我國核電建設起步晚，平均堆齡為7.2年，但于上世紀九十年代投運的秦山一期和大亞灣共三個機組已經面臨著許可證延續(xù)的挑戰(zhàn)，老化管理和壽命預測也逐漸成為國內核電機組面臨的重要問題。壓力邊界主設備，如壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主管道等，在長期運行過程中逐漸老化，評估其應力腐蝕性能是這些設備完整性評價的重要內容。因此，深入研究核電結構材料應力腐蝕失效行為及開裂機理對于保障核電安全、設備壽命預測和降低運行維護成本等都有著重要的意義。通過本標準的制定，可以規(guī)范核電設備用金屬材料在高溫高壓水環(huán)境下的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率的在線測量方法，促進國內相關科研機構間測試方法和試驗結果的規(guī)范性、通用性、一致性以及可靠性；對核電結構材料應力腐蝕失效定量化評價數(shù)據(jù)的產出、開裂機理的揭示、核電安全的保障、設備壽命的預測和運行維護成本的降低等都具有重要意義。（2）制修訂標準的原則。（1）合規(guī)合法性本標準的制定符合國家現(xiàn)行有關法律、法規(guī)和政策。（2）科學合理性本標準的制定和對試驗的各項規(guī)定需符合科學規(guī)律，具有科學合理性。（3）先進性本標準的制定有利于促進技術進步和科技發(fā)展，反映了本行業(yè)的具體情況和未來發(fā)展方向，充分論證與界定了標準的適用范圍，其技術水平為國內領先、國際先進水平。（4）通用性標準的制定主要為了規(guī)范核電設備用金屬材料在高溫高壓水中多通道應力腐蝕裂紋萌生在線測量方法，促進國內相關科研機構間測試方法和試驗結果的規(guī)范性、通用性、一致性以及可靠性。（5）規(guī)范性本標準制定時嚴格遵循GB/T1.1-2020《標準化工作導則》規(guī)定，文字表達力求準確簡明，內容嚴謹合理。標準主要內容確定的論據(jù)本標準主要內容確定的論據(jù)：本標準按照GB/T1.1-2020標準規(guī)定的結構、格式和表達方式編輯；基本物理概念表示方法，考慮測試方法的規(guī)范性、統(tǒng)一性以及使用習慣；在測試方法使用的可指導性方面，規(guī)定了核電設備用金屬材料在高溫高壓水中進行應力腐蝕裂紋萌生時間定量測量試驗的適用范圍、試樣制備和要求、試驗原理、儀器、設備、關鍵試驗步驟、試驗結果觀察及評定和試驗報告等；本標準主要內容：本標準規(guī)定了核電設備用金屬材料在循環(huán)的高溫高壓水中進行應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展試驗的范圍、試樣制備和要求、試驗原理、儀器、設備、關鍵試驗步驟、試驗結果觀察及評定和試驗報告等。在本標準編寫過程中，參考了《GB/T15970.1金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第1部分：試驗方法總則》、《GB/T15970.6金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第6部分：恒載荷或恒位移下預裂紋試樣的制備和應用》、《ASTME647-11StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》、《ASTME399-06StandardTestMethodforLinear-ElasticPlane-StrainFractureToughnessKICofMetallicMaterials》中關于裂紋擴展試驗的相關規(guī)定，結合自主研制的高溫高壓水應力腐蝕裂紋/腐蝕疲勞裂紋擴展試驗裝置，采用直流電壓降（DCPD）法，監(jiān)測裂紋擴展速率，研究材料、環(huán)境和載荷三個維度影響因素的影響規(guī)律，在大量的試驗數(shù)據(jù)支持下，提出《金屬材料在高溫高壓水中的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率測量方法》。具體技術內容說明如下：高溫高壓水環(huán)境應力腐蝕/腐蝕疲勞實驗系統(tǒng)應包括伺服加載系統(tǒng)、水化學控制回路、高壓釜、加熱及溫度控制器、信號采集與集成控制軟件系統(tǒng)。伺服加載系統(tǒng)應與DCPD測量系統(tǒng)集成聯(lián)動，以方便實現(xiàn)對載荷控制，從而實現(xiàn)疲勞裂紋向應力腐蝕裂紋的過渡、恒定應力強度因子(K)、升K、降K等控制模式。由于在高溫高壓水中進行腐蝕疲勞和應力腐蝕的難度大，采用標準CT或TPB試樣進行測試，以獲得更可靠的試驗數(shù)據(jù)。標準CT試樣和TPB試樣形狀尺寸參照ASTME399標準。根據(jù)ASTME399(2013)標準，應力腐蝕實驗使用恒定K、降K控制。當K值偏離目標值0.1%后進行載荷的調整，調整周期需依據(jù)裂紋擴展的速率等進行選取?？紤]裂紋長度測量的誤差，如果出現(xiàn)試樣裂紋長度下降的現(xiàn)象時，程序不進行載荷的調整。對于奧氏體不銹鋼、鎳基合金等經過退火、固溶處理或敏化的材料，以及其它硬化系數(shù)較高的金屬材料，在進行應力腐蝕裂紋擴展速率試驗時，可以控制K在15~25MPa√m范圍；進行腐蝕疲勞試驗時，可以控制K在15~35MPa√m范圍。對于經過冷變形或輻照等硬化系數(shù)很小的材料，以及屈服強度較高的材料，例如冷變形的奧氏體不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼等，進行應力腐蝕裂紋擴展速率試驗時可以控制K在15~35MPa√m范圍；進行腐蝕疲勞試驗時可以控制K的范圍在15~40MPa√m范圍內。對于1英寸以上厚度的CT試樣，可選擇更高的K值范圍，具體數(shù)值可參考ASTME647中的推薦值。對于退火或經過敏化后等硬化系數(shù)較高的材料，可以適當控制裂紋長度比推薦標準略大；對于冷變形或輻照后等硬化系數(shù)較小的材料，可適當控制裂紋長度低于推薦標準。對于奧氏體不銹鋼、690、600等鎳基合金等材料，推薦應力腐蝕開裂裂紋長度不超過0.55W。試樣上所注入的直流電流應盡量大，以獲得更強的DCPD電勢變化信號，但過高的電流會使試樣發(fā)生極化、電流泄漏等問題。因而，最大電流以試樣不發(fā)生極化為標準，對于0.5TCT試樣，所通過的電流選擇在1.5-3A范圍內，對于1TCT試樣電流范圍建議在5～10A范圍內。計算實際裂紋長度與程序測量裂紋長度的偏差。一般裂紋長度偏差小于10%時，不對K進行修正。如果偏差超過10%，需要重新計算實際的加載K值，并對裂紋擴展速率結果進行校正。如果發(fā)現(xiàn)裂紋偏離預期開裂平面，需要細致的分析并在報告中給出。當裂紋偏離開裂平面20°時，裂紋擴展速率的測量會有嚴重的偏差，應綜合評價試驗的有效性。為了保證試驗的重復性與數(shù)據(jù)的可靠性，相同試驗條件下的裂紋擴展測試不應小于3次。主要試驗（或驗證）結果的分析、綜述報告、技術經濟論證，預期的經濟效果等。準確、定量獲取核電壓力邊界材料應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率參數(shù)是本標準的主要目的。為起草本標準，標準編制組進行了大量試驗驗證工作，各參與單位分工負責反應堆一、二回路中多種牌號結構材料的應力腐蝕開裂/腐蝕疲勞裂紋擴展速率數(shù)據(jù)測試工作，在上海交通大學自主研發(fā)設計的高溫高壓水應力腐蝕/腐蝕疲勞試驗機上開展試驗研究工作，充分驗證標準中給出的測試方法的通用性和合理性，從而按照本標準的編制原則和要求，形成高溫高壓水環(huán)境中不同金屬材料的裂紋擴展速率數(shù)據(jù)的試驗方法、步驟、結果觀察及評定等要素。通過試驗獲取主要反應堆材料在一回路高溫高壓水環(huán)境下的應力腐蝕裂紋擴展規(guī)律，澄清了其應力腐蝕裂紋擴展的機理問題，一方面可用于現(xiàn)役設備的壽命預測，完善核級設備老化管理體系，另一方面也將為新型材料的開發(fā)應用論證提供標準化手段。顯然，該項技術預期可引領長壽命免/少維護反應堆的主流發(fā)展方向，有望轉入“十四五”預研/國家安全重大基礎研究項目繼續(xù)開展研究。標準試驗所形成的反應堆材料的應力腐蝕/腐蝕疲勞裂紋擴展速率數(shù)據(jù)和預測模型在現(xiàn)有核電關鍵材料中的應用將有利于保障核電站的安全可靠運行，減少非計劃停堆，創(chuàng)造巨大的經濟效益。據(jù)測算，1臺百萬千瓦機組非計劃停堆一天將造成1000萬元人民幣的經濟損失。另外，通過項目的實施，既可以培養(yǎng)一批具有材料服役行為評價與預測新思想和新理念，掌握新模式和新方法，富有創(chuàng)新精神和協(xié)同創(chuàng)新能力的高素質核電人才隊伍；也可以向公眾普及核電知識，提高公眾對核電的認識，為核電建設營造良好的社會環(huán)境。與有關的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強制性標準的關系。與相關法律法規(guī)的協(xié)調關系?！督饘俨牧显诟邷馗邏核械膽Ωg/腐蝕疲勞裂紋擴展速率測量方法》系列標準滿足核安全法規(guī)（HAF）、核安全導則（HAD）。與相關標準的協(xié)調關系。國際公認標準是BSENISO7539CorrosionofMetalsandAlloys–StressCorrosionTesting合訂本，我國GB/T15970《金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗》同采用ISO標準。該系列標準給出了設計、制備和應用不同類型試樣進行試驗以評價金屬抗應力腐蝕性能的試驗程序。YB/T5344-2006給出的鐵-鉻-鎳在高溫水中應力腐蝕試驗方法適用